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Growth and configurational stability of circular, buckling-driven film delaminations

1992; Elsevier BV; Volume: 40; Issue: 2 Linguagem: Inglês

10.1016/0956-7151(92)90304-w

1873-2879

John W. Hutchinson, M.D. Thouless, E. Liniger,

Numerical methods in engineering

A study is presented of delamination at the interface between a thin elastic film bonded to a substrate under conditions in which the film is subject to equi-biaxial compression. The focus is on initially circular delaminations. When the initial delamination is sufficiently large it buckles away from the substrate producing a blister which in turn induces a driving force on the interface crack tip. A two-part theoretical analysis of the coupled buckling/fracture problem is conducted: the axisymmetric growth of the circular blister, and the stability of the circular blister to nonaxisymmetric perturbations of the interface crack front. A simple criterion is identified which excludes the possibility of wide-spread delamination. Experiments are reported for a model film/substrate system (mica bonded to aluminum) chosen to allow visualization of the interface and to permit compressive stresses in the film to be generated over the full range of interest by exploiting the large thermal expansion mismatch of the system. The experiments bear out the theoretical prediction of a regime of axisymmetric growth which gives way to nonaxisymmetric blisters after a blister becomes sufficiently large. The study suggests that the wavy-circular and worm-like blister morphologies which are usually observed for delaminated films are a manifestation of the configurational instability of the interface crack front. Nous présentons une étude de la décohésion interfaciale en feuillets entre un film élastique mince et son support, lorsque le film est soumis à une compression équiaxiale. Nous nous intéressons plus précisément aux décohésions qui sont au départ circulaires. Quand la décohésion initiale est suffisamment importante, elle s'éloigne du support en se déformant, ce qui provoque une cloque qui à son tour induit une force motrice sur l'extrémité de la fissure interfaciale. Ce double probléme gauchissement/rupture est analysé théoriquement sous les deux aspects suivants: croissance avec un axe de révolution de la cloque circulaire et instabilité de la cloque circulaire vis-à-vis des perturbations sans axe de révolution du front de la fissure d'interface. Nous identifions un critère simple qui exclut la possibilité d'une décohésion à grande échelle. Nous présentons les expériences réalisées sur un système modèle film/support (mica lié à l'aluminium) que nous avons choisi pour pouvoir visualiser l'interface, et pour pouvoir créer des contraintes de compression dans le film, dans tout le domaine intéressant, en exploitant le fort désaccord de dilatation thermique du système. Ces expériences confirment la prévision théorique d'un régime de croissance avec un axe de révolution qui conduit à des cloques sans axe de révolution une fois que ces cloques se sont suffisamment développées. Cette étude suggère que les morphologies de cloques, vaguement circulaires ou en forme de serpentin, que l'on observe dans les films après décohésion sont une manifestation de l'instabilité de la configuration du front de la fissure d'interface. Es wird die Delamination an de Grenzfläche swischen einem dünnen elastischen Film und einem Substrat unter Bedingungen untersucht, unter denen der Film unter einem gleichmäβigen biachsialen Druckzustand steht. Analysiert wird eine anfänglich runde Delamination. Ist diese ausreichend groβ, dann beigt sie sich von der Grenzfläche weg und bildet einen Hohlraum, einen “Blister”, der selbst wiederum eine treibende Kraft aif die Spitze des Risses an der Grenzfläche darstellt. Das Problem der Blisterbildung, gekoppelt mit Bruch, wird zweistufig theoretisch analysiert: dans achsensymmetrische Wachstum der runden Blister und die Stabilität der runden Blister gegenüber nicht-achsensymmetrischen Störungen der Riβfront in der Grenzfläche. Es ergibt sich ein einfaches Kriterium, welches die Möglichkeit ausgedehnter Delamination ausschlieβt. Experimente an einem Modellsystem (Glimmer auf Aluminium) werden vorgestellt; das system wurde gewählt, um die Grenzfläche sehen zu können und kompressive Spannungen im Film im gesamten interessierenden Bereich über die groβe thermische Fehlpassung einstelln zu können. Die Experimente bestätigen die theoretischen Voraussagen eines Bereiches achsensymmetrischen Wachstums, welches zur Bildung nicht-achsensymmetrischen Blister führt, wenn ein Blister erst ausreichende Gröβe erreicht hat. Die Untersuchung legt nahe, daβ die wellenförmig-runden und wurmartigen Blistermorphologien, di üblicherweise in delaminierten Filmen beobachtet werden, ein Ausdruck der Konfigurationsinstabilität der Front des Grenzflächenrisses darstellen.