最近，中國科學院力學研究所在納米結構陶瓷涂層與合金基底的界面粘結性能、納米結構涂層的導熱性能和彈性性能等研究上取得了新進展，揭示了界面粘結性能及相關力學性能的微結構尺度效應及其物理機制。
納米結構陶瓷涂層界面粘結性能研究取得進展（圖片來源于網絡）
陶瓷涂層的介紹
陶瓷涂層由于具有良好的熱絕緣、抗氧化及耐腐蝕等優異性能，在機械工程、化工、生物醫療、電子、航天航海等眾多領域都有廣泛應用。如航空發動機的葉片由于工作溫度高達一千度以上，金屬基底上往往要沉積或涂覆上一層幾百微米厚的耐高溫的陶瓷涂層以保護內部部件，而涂層與基底之間的界面粘結性能則關系到相關結構和部件的可靠性與服役壽命。
一旦涂層與基底之間界面開裂，涂層剝落，暴露在高溫下的金屬基底將很快失效。因此研究涂層與基底之間的界面粘結性能、提高二者之間的界面結合強度一直是工業應用的迫切需求。而納米結構涂層作為一種新型的結構材料，由于微結構(晶粒)從傳統的微米尺度減小到百納米甚至幾十納米，比界面積急劇增大，展現出很多不同于傳統涂層及塊體材料的力學性能，如模量增加、導熱性降低等，那么它與基底間的界面結合強度怎樣呢?對這一問題的理解不僅對指導實際應用，而且對發展微納尺度力學都具有重要意義。
什么是界面粘聚模型
界面粘聚模型(Interface cohesive model)通常用于描述界面斷裂過程中裂紋尖端的力學行為，反映了界面粘聚區原子所受應力及分離位移的關系：界面分離應力隨位移增加首先增加，當達到最大應力即界面強度后，應力則隨位移增加而減小直至消失。該模型是一個宏觀唯象模型，有兩個關鍵參數：界面斷裂強度及界面斷裂韌度，界面韌度(即界面粘聚能)反映了界面斷裂所需的功。對實際材料宏觀體系的界面結構，界面強度往往是MPa(106帕斯卡)量級，而界面開裂位移是微米(10-6米)量級;但對雙材料界面分離的原子尺度模擬顯示，界面強度是GPa(109帕斯卡)量級，而界面分離位移則是埃(10-10米)的量級。這種從微觀到宏觀的量級差異表明了界面性能的跨尺度現象，如何將界面的微觀物理機制及宏觀力學性能有機地結合起來一直是界面科學研究的一項挑戰。
研究人員根據界面粘聚能的熱力學定義(斷裂后形成兩個新表面的表面自由能之和減去斷裂前兩者間的界面自由能之差)、界面斷裂前后表面、界面自由能及其尺度效應的介觀熱力學表征，結合實際陶瓷涂層/合金基底體系界面拉伸斷裂的實驗測量，給出了界面粘結性能尺度效應的力學模型，預測并證實了納米結構涂層與基底之間提高近兩倍的界面強度(比傳統的微米結構涂層與同樣基底間界面強度而言)，指出微結構變化引起的涂層表面能及涂層基底間界面開裂位移的尺度效應，是導致涂層體系宏觀界面強度改善的微觀物理機制。進一步給出界面粘聚模型中臨界位移的物理意義對應著界面材料的基本微結構尺度。
