Rigidity, adhesion and delamination of the coating in the “substrate - coating” system

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Protective coatings are widely used in all branches of production and life. The necessary qualities of coatings are provided by developing complex thin-layer compositions. The complexity of the structure of the coating also arises during operation as a result of the influence of the environment, physical fields, human factor. Many coatings are initially formed directly on the surfaces of structures with initially complex geometry. At the same time, a number of smart coatings, along with a complex structure, change their physical and mechanical properties when triggered. When choosing a coating, adhesive and technology for its application, questions arise related to determining their necessary geometric and physical parameters, assessing their mechanical properties and service life depending on the environment and physical fields, etc. This requires a reliable research tool. In the review, based on well-known publications and patents for the invention, the following are noted: methods for studying the mechanical properties of decomposable and non-decomposable coatings; methods for determining adhesion - the adhesion strength of the coating to the substrate; methods for studying the delamination of constituent elements and delamination of the coating from the substrate. Attention is focused on effective experimental and theoretical methods for assessing the mechanical properties of the coating and adhesive on flat and non-planar surfaces, as well as on some relevant results.

About the authors

Samat N. Yakupov

Federal Research Center «Kazan Scientific Center of Russian Academy of Sciences»

Author for correspondence.
Email: tamas_86@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0047-3679

PhD in Technical Sciences, senior researcher, Institute of Mechanics and Engineering

2/31 Lobachevsky St, Kazan, 420111, Russian Federation

Ruslan I. Gubaidullin

Federal Research Center «Kazan Scientific Center of Russian Academy of Sciences»

Email: ruslan_221294@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8047-7962

postgraduate student, Institute of Mechanics and Engineering

2/31 Lobachevsky St, Kazan, 420111, Russian Federation

References

  1. Yakupov S.N., Yakupov N.M. Thin-layer films and coatings. Journal of Physics: Conference Series. 2017;857(1):012056. https://doi.org/10.1088/1742-6596/857/1/012056
  2. Yakupov N.M., Yakupov S.N. Thin-layer coatings. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings. 2017;(1):6-14. (In Russ.)
  3. Yakupov S.N., Yakupov N.M. Research of mechanical characteristics thin coating. Journal of Physics: Conference Series. 2019;1328:012103. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1328/1/012103
  4. Gad-el-Hak M. (ed.) MEMS: Applications. Boca Raton: CRC Press; 2006. https://doi.org/10.1201/9781420036558
  5. Montemor M.F. Functional and smart coatings for corrosion protection: a review of recent advances. Surface & Coatings Technology. 2014;258:17-37. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.06.031
  6. Taryba M., Lamaka S.V., Snihirova D., Ferreira M.G.S., Montemor M.F., Wijting W.K., Toews S., Grundmeier G. The combined use of scanning vibrating electrode technique and micro-potentiometry to assess the self-repair processes in defects on “smart” coatings applied to galvanized steel. Electrochim. Acta. 2011;56(12):4475-4488.
  7. García J., Fischer H.R., van der Zwaag S. A critical appraisal of the potential of self-healing polymeric coatings. Progress in Organic Coatings. 2011;72(3):211-221. https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2011.06.016
  8. Taylor S.R., Shiflet G.J., Scully J.R., Buchheit R.G., Van Ooij W.J., Sieradzki K., Diaz R.E., Brinker C.J., Moran A.L. Increasing coating functionality using nanodimensioned materials. In: Fernando R.H., Sung L.-P. (eds.) Nanotechnology Applications in Coatings. American Chemical Society; 2009. p. 126-155. https://doi.org/10.1021/bk-2009-1008.ch008
  9. Lejars M., Margaillan A., Bressy C. Fouling release coatings: a nontoxic alternative to biocidal antifouling coatings. Chemical Reviews. 2012;112:4347-4390. https://doi.org/10.1021/cr200350v
  10. Huang Y.F., Huang C., Zhong Y.L., Yi S.P. Preparing superhydrophobic surfaces with very low contact angle hysteresis. Surface Engineering. 2013;29:633-636. https://doi.org/10.1179/1743294412Y.0000000087
  11. Ildarkhanova F.I., Mironova G.A., Bogoslovsky K.G., Menshikov V.V., Bykov E.D. Development of paint coatings with superhydrophobic properties. Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces. 2012;48:796-802. https://doi.org/10.1134/S2070205112070076
  12. Ahmad S., Gupta A.P., Sharmin E., Alam M., Pandey S.K. Synthesis, characterization and development of high performance siloxane-modified epoxy paints. Progress in Organic Coatings. 2005;54:248-255. https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2005.06.013
  13. Qian M., Soutar A.M., Tan X.H., Zeng X.T., Wijesinghe S.L. Two-part epoxy-siloxane hybrid corrosion protection coatings for carbon steel. Thin Solid Films. 2009;517(17):5237-5242. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2009.03.114
  14. Xue D., Van Ooij W.J. Corrosion performance improvement of hot-dipped galvanized (HDG) steels by electro-deposition of epoxy-resin-ester modified bis-[tri-ethoxy-silyl]ethane (BTSE) coatings. Progress in Organic Coatings. 2013;76:1095-1102. https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2013.03.004
  15. Zhang X., He Q., Gu H., Colorado H.A., Wei S., Guo Z. Flame-retardant electrical conductive nanopolymers based on bisphenol F epoxy resin reinforced with nano polyanilines. ACS Applied Materials & Interfaces. 2013;5:898-910. https://doi.org/10.1021/am302563w
  16. Tsui T.Y., Ross C.A., Pharr G.M. Nanoindentation hardness of soft films on hard substrates: effects of the substrate. MRS Online Proceedings Library. 1997;473:57-62. https://doi.org/10.1557/PROC-473-57
  17. Gao H., Huang Y., Nix W. Modeling plasticity at the micrometer scale. Naturwissenschaften. 1999;86: 507-515. https://doi.org/10.1007/s001140050665
  18. Bolesta A.V. Molecular dynamics simulation of the deformation of thin films. Bulletin of the Nizhny Novgorod University named after N.I. Lobachevsky. 2011;(4):396-398. (In Russ.)
  19. Yanovsky Yu.G., Nikitina E.A., Nikitin S.M., Karnet Yu.N. Quantum mechanical studies of the mechanism of deformation of carbon nanotubes. Mechanics of Composite Materials and Structures. 2009;15(3):345-368. (In Russ.)
  20. Yakupov N.M., Galimov N.K., Leontiev A.A. Experimental-theoretical method for studying the strength of polymer films. Mechanics of Composite Materials and Structures. 2000;6(2):238-243. (In Russ.)
  21. Yakupov N.M., Nurgaliev A.R., Yakupov S.N. Method for testing films and membranes under conditions of uniformly distributed surface pressure. Industrial Laboratory. Materials Diagnostics. 2008;74(11):54-56. (In Russ.)
  22. Yakupov N.M., Yakupov S.N. Definition of mechanical characteristics of films with the pores, nanoinclusions and nanocoatings. The Second Nanotechnology International Forum: Abstracts. Moscow: Rusnanotech Publ.; 2009. p. 344-346. (In Russ.)
  23. Yakupov N.M., Nurullin R.G., Yakupov S.N. Mechanical properties of thin films and nanofilms. Russian Engineering Research. 2010;29(6):571-574. https://doi.org/10.3103/S1068798X09060100
  24. Yakupov S.N. Mechanical characteristics of thin titanium oxide coatings in the “coating - polymer film” system. Mechanics of Composite Materials and Structures. 2010;16(3):436-444. (In Russ.)
  25. Yakupov S.N. Way of definition of mechanical characteristics of thin coverings in system “the covering - the substrate.” The Second International Competition of Scientific Papers in Nanotechnology for Young Researchers: Abstracts. Moscow: Rusnanotech Publ.; 2009. p. 439-440. (In Russ.)
  26. Markochev V.M., Egorov G.P. Deformations and stresses in the console system “film - substrate.” Industrial Laboratory. Materials Diagnostics. 2018;84(3):61-66. (In Russ.) https://doi.org/10.26896/1028-6861-2018-84-3-61-67
  27. Shugurov A.R., Panin A.V. Kazachenok M.S. Investigation of elastic deformation of Ti films under alternating bending. Journal of Technical Physics. 2010;80(11):35-40. (In Russ.)
  28. Galimov N.K., Yakupov N.M., Yakupov S.N. Experimental-theoretical method for determining the mechanical characteristics of spherical films and membranes with a complex structure. Solid Mechanics. 2011;46(3):58-66. (In Russ.) https://doi.org/10.3103/S0025654411030058
  29. Yakupov N.M., Galimov N.K., Yakupov S.N. Methodology of studying non-planar films and membranes of complex structure. Industrial Laboratopy. Materials Diagnostics. 2019;85(2):55-59. (In Russ.) https://doi.org/10.26896/1028-6861-2019-85-2-55-59
  30. Kharislamova L.U., Yakupov S.N. Methods for assessing strength of biological membranes. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings. 2014;(6):65-70. (In Russ.)
  31. Goldstein R.V. (ed.) Fracture mechanics. The destruction of the materials. Moscow: Mir Publ.; 1979. p. 222-224. (In Russ.)
  32. Weil N.A., Newmark N.M. Large deflections of elliptical plates. Journal of Applied Mechanics. 1956;23(1):21-26.
  33. Yakupov S.N. Experimental - theoretical method for determining the adhesion of a film to a substrate. Mechanics of Solids. 2017;52(5):587-593. (In Russ.) https://doi.org/10.3103/S0025654417050144
  34. Yakupov S.N. Mechanics of the “substrate - film” system. XI All-Russian Congress on Fundamental Issues of Theoretical and Applied Mechanics. Kazan; 2015. p. 4323-4325. (In Russ.)
  35. Yakupov S.N., Gubaidullin R.I., Yakupov N.M. Determination of hardness of thin layer coating and its adhesion to the shell of the cylindrical form. Journal of Physics: Conference Series. 2019;1158(4):042039. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1158/4/042039
  36. Yakupov S.N., Gubaidullin R.I., Yakupov N.M. Investigation of the influence of the nature of surface deformation on coating adhesion. Journal of Physics: Conference Series. 2021;1954:012053. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1954/1/012053
  37. Shugurov A.R., Panin A.V. Mechanisms of periodic deformation of the film-substrate system under the action of compressive stresses. Physical Mesomechanics. 2009;12(3):23-32. (In Russ.)
  38. Freund L.B., Suresh S. Thin film materials: stress, defect formation and surface evolution. Cambridge: Cambridge University Press; 2003.
  39. Yoo P.J., Lee H.H. Evolution of a stress-driven pattern in thin bilayer films: spinodal wrinkling. Physical Review Letters. 2003;91(15):154502.
  40. Tolpygo V.K., Clarke D.R. Wrinkling of α-alumina films grown by oxidation. II. Oxide separation and failure. Acta Materialia. 1988;46(14):5167-5174.
  41. Yakupov N.M., Kharislamova L.U. Stiffness of compositions with delaminations and the influence of ultraviolet on adhesion. Lobachevskii Journal of Mathematics. 2019;40(6):840-845.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».