Физики объяснили природу самоповторяющихся трещин

UuNcEmqBeXw1

На фото: Аномальные трещины типа архимедовой спирали (b), полумесяцев (с,d) и параллельных полос (e). Изображение: Jo?l Marthelot et al., Physical Review Letters, 2014

Французско-чилийская группа физиков обнаружила механизм образования трещин, которые способны формировать полумесяц, полосы, архимедову спираль и другие повторяющиеся фигуры. Исследование опубликовано  в журнале Physical Review Letters, кратко о нем можно прочитать  на сайте Американского физического общества.

Процесс нанесения, разница в термическом расширении материалов или просто механическая нагрузка может привести к остаточным напряжениям сжатия или растяжения в покрытии. Это дает два типа разрывов: напряжение сжатия приводит к образованию складок и пузырей, а растяжения — к трещинам, пронизывающим всю толщину пленки. Появившись, такая трещина-канал распространяется прямолинейно, лишь слегка изгибаясь при близком соседстве с траекторией предыдущей трещины, где они стараются пересечься перпендикулярно свободной границе. В случае жесткой подложки характерное расстояние взаимодействия для распространения двух трещин оказывается близким к толщине покрытия.

В эксперименте ученые использовали коммерчески доступный триметилсилоксан, причем адгезия покрытия к подложке регулировалась обработкой плазмой. Данный тип покрытия широко используется в лазерных технологиях и электронике. Зарождение и динамику трещин в покрытии наблюдали с помощью отражательного микроскопа.

В случае умеренной адгезии были обнаружены неожиданные морфологии трещин: архимедова спираль, полумесяц или параллельные полосы. Раз появившись, такие трещины повторяли сами себя: в первом случае базовым элементом была петля, во втором арка и в третьем полоса.

Такие трещины не характерны для керамической глазури или картин, однако встречаются на покрытиях, которые наносятся методом спин-коатинга (капля падает на вращающийся диск и растекается тонком слоем под действием центробежной силы). Для самоповторяющихся фигур шаг — то есть характерная длина взаимодействия двух трещин — оказался в 25—30 раз больше толщины пленки. Это значительно больше, чем в случае обычных трещин-каналов.

Меняя типы покрытия и методы их нанесения, ученые обратили внимание на то, что характерный масштаб самоповторяющихся фигур остается постоянным. Это может свидетельствовать об отличии данного механизма образования и распространения трещин от, например, трещин, образующихся вследствие температурных градиентов.

Для объяснения полученных результатов учеными было разработано теоретическое описание. Распространение трещин определяют три фактора: поверхностная плотность остаточной энергии, энергия разрыва пленки и энергия адгезии при скорости распространения трещины, стремящейся к нулю (энергия адгезии возрастает вместе с увеличением скорости).

В классическом случае трещин-каналов разрыв покрытия происходит, если остаточная эластическая энергия превышает энергию адгезии. В аномальном случае самоповторяющихся трещин одновременно происходят разрыв и отслаивание от поверхности, причем аномальный механизм работает в области растягивающей нагрузки, ниже критической для классического механизма.

Помимо теоретического, изучение аномальных трещин имеет и практическое значение. Тонкие пленки толщиной от нескольких нанометров до микрометра используются в науках о материалах для защиты и изменения свойств поверхностей.