随着科学技术的不断发展,薄膜材料与器件已经广泛的应用于我们的日常生活中,例如半导体器件、磁存储器、表面涂层等。然而,在实际应用过程中,薄膜材料与器件会出现一种常见的失效形式——薄膜屈曲,最终会导致界面剥离和断裂。因此,薄膜/基底材料体系界面结合的质量对薄膜材料与器件的寿命是至关重要的。如何定量表征薄膜/基底体系的界面结合性能在实际应用中具有非常重要的意义。许多研究工作者已经提出了许多表征方法来测量薄膜/基底材料体系的界面结合性能,但是都有其局限性和适用范围。因此,急需寻求一种适用范围广的薄膜/基底体系界面性能的表征方法。本论文采用屈曲的研究方法,以热障涂层(TBCs)和动力电源外壳用的镀镍钢带(镍薄膜/低碳钢)两种典型的脆性薄膜/韧性基底、韧性薄膜/韧性基底为主要研究对象,从实验研究、数值模拟计算和理论分析三个角度出发对上述两种薄膜/基底体系的界面结合性能进行了表征,探索了屈曲形貌演化与界面能量释放率和相角之间的关系。本论文取得的主要创新性研究成果如下：(1)用屈曲法对以等离子喷涂工艺方法制备的带有界面预制缺陷的热障涂层样品进行了实验研究,探索了界面屈曲剥离与涂层表面断裂之间的竞争机制,建立了压缩载荷下热障涂层的失效机制图。我们使用Ni箔片作为界面贯穿裂纹,设计制备了一种位于陶瓷层和粘接层界面之间的界面缺陷。通过用屈曲法结合声发射信号采集系统和CCD相机的实时观测系统,我们得到了如下的屈曲剥离过程的失效机制图：在外加压缩载荷的作用下,涂层先出现屈曲现象,随着外加载荷的增大,在屈曲部分与基底结合尖端处出现kink裂纹导致涂层剥落,涂层内应力得到释放,继续加大载荷,当达到界面断裂的临界条件时,涂层发生界面剥离直至整个涂层剥落；(2)用ABAQUS软件中内聚力模型的有限元数值计算的方法模拟了热障涂层受到单轴压缩载荷作用界面裂纹产生、扩展以及整个涂层剥离的过程,建立了表征热障涂层界面结合性能的数值模拟方法。研究表明,随着压缩应变的增加,涂层内的能量累积,当能量达到裂纹扩展所需要的临界界面结合能时,界面剥离开始。随着应变的进一步加大,界面裂纹产生并迅速扩展。最后,我们对比实验中测量的界面裂纹长度随应变的变化关系与有限元模拟的结果,发现当有限元模拟采用的界面结合能的值在100～130 J/m/的范围内变化时和实验结果吻合得很好；(3)用非线性屈曲剥离理论,结合涂层内的应力与界面裂纹长度的关系,得到了热障涂层界面能量释放率和混合模态相角随界面裂纹长度变化的关系,我们发现界面能量释放率随着界面裂纹长度的增加而迅速增大,最终会趋向于稳定值。发生界面剥离时临界的能量释放率为120 J/m2,随着界面裂纹长度的不断增加,界面能量释放率值将趋向于稳定值150 J/m2。从相角的变化关系可以看出,界面裂纹扩展过程是一个混合模态过程,界面剥离的初始时刻是一个混合型裂纹,相角为-40°,Ⅰ型和Ⅱ型所占的比重基本相当,模态相角随着界面裂纹的扩展不断增加,从初始的-40°增加到-85°,扩展模式会逐渐转变为Ⅱ型裂纹占主导地位,最终会趋向于纯Ⅱ型剥离。并通过实验中观察到的界面剥离时界面裂纹长度和储存在涂层内应力的大小,得到了临界界面能量释放率为120J/m2,与有限元计算结果(100～130 J/m2)吻合得很好；(4)用屈曲法对以脉冲电沉积方法制备的镍薄膜/低碳钢材料体系进行了实验研究。我们发现,镍薄膜表面光滑平整、晶粒尺寸均匀细小,属于典型的微纳米晶薄膜,而且样品为10×5×5 mm3的长方体最适合做屈曲试验。根据初始的屈曲轮廓形貌,可以将边界缺陷的形状简化为正方形。通过对实验过程中得到的不同缺陷尺寸大小进行统计,发现缺陷尺寸基本服从正态分布,而且缺陷尺寸在400×400～700×700μm2的范围内出现的次数最多。在外加载荷的作用下,缺陷沿着边缘产生和扩展,形成类似于半硬币状的屈曲形貌,并且呈现对称分布；(5)用虚拟裂纹闭合法对受到单轴压缩的镍薄膜/低碳钢材料体系的屈曲产生以及演化过程进行了有限元的计算模拟,深入地研究了屈曲剥离过程中界面裂纹扩展以及能量释放率和相应相角的演化过程,建立起了屈曲形貌、界面演化与界面结合性能之间的关系。我们发现,随着外加压缩载荷的增大,界面剥离先沿着直边的方向扩展,然后再沿着直边和弧形前端的方向同时扩展,最终会形成三角形的界面剥离形貌,而且初始界面缺陷的形状对界面剥离形貌没有影响,界面剥离并不是以一种“自相似(self-similar)"的方式进行扩展的,而且Ⅱ型裂纹扩展模式在直边占据主导地位,而弧形前端则主要经历纯Ⅰ型剥离,Ⅲ型裂纹扩展模式几乎可以忽略不计；(6)建立了屈曲法表征镍薄膜/低碳钢基底体系界面结合性能的理论模型。首先,我们基于最小势能原理在弹性薄膜/刚性基底的基础上,建立了二维和三维的弹塑性薄膜/刚性基底体系界面结合性能的解析模型,然而依然不能适用于我们镍薄膜/低碳钢材料体系,因为上述解析模型中并没有考虑基底的变形,而用屈曲法对镍薄膜/低碳钢基底体系界面结合性能进行表征时,基底的变形对界面能量释放率的贡献是十分显著的,是不能忽略的。因此,我们借助有限元计算的方法建立了表征弹塑性薄膜/弹塑性基底体系界面结合性能(能量释放率和相角)的数值模型。首先,我们利用n定理对屈曲剥离问题进行了量纲分析,并通过正/反推的方法构建了表征三维弹塑性薄膜/弹塑性基底体系界面结合性能的数值模型的理论框架,并利用正推过程,以最佳拟合的方式得到了数值模型的具体的无量纲化函数关系式。然后,我们利用得到的数值模型对镍薄膜/低碳钢体系的界面结合性能进行了表征,得到了镍薄膜厚度为60μm时的界面能量释放率为250～315 J/m2,相应的相角在-41°到-66°的范围内变化。通过数值模型得到的界面能量释放率和相角只取决于刚要发生界面剥离时的临界屈曲挠度Adcr/h和界面裂纹半长b/h,而与界面剥离的演化过程无关。最后,我们探讨了界面剥离初始时刻的临界能量释放率和相应的相角的变化情况。发现界面能量释放率具有模态依赖性,当混合模态相角ψ≤-60°时,界面能量释放率Γ对相角ψ的模态依赖性不是特别的明显,但是当混合模态相角ψ≥-60°时,界面能量释放率的模态依赖性变得越来越显著。