Structural Mechanics of Engineering Constructions and BuildingsStructural Mechanics of Engineering Constructions and BuildingsСтроительная механика инженерных конструкций и сооружений1815-52352587-8700Peoples’ Friendship University of Russia named after Patrice Lumumba (RUDN University)3202110.22363/1815-5235-2022-18-3-204-214Analysis and design of building structuresРасчет и проектирование строительных конструкцийResearch ArticleRigidity, adhesion and delamination of the coating in the “substrate - coating” systemЖесткость, адгезия и расслоение покрытия в системе «подложка - покрытие»https://orcid.org/0000-0003-0047-3679YakupovSamat N.ЯкуповСамат Нухович

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

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Институт механики и машиностроения

tamas_86@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8047-7962GubaidullinRuslan I.ГубайдуллинРуслан Илгамович

postgraduate student, Institute of Mechanics and Engineering

аспирант, Институт механики и машиностроения

ruslan_221294@mail.ruFederal Research Center «Kazan Scientific Center of Russian Academy of Sciences»Федеральный исследовательский центр «Казанский научный центр РАН»28092022183VOL 18, NO3 (2022)ТОМ 18, №3 (2022)20421428092022Copyright ©; 2022, Yakupov S.N., Gubaidullin R.I.Copyright ©; 2022, Якупов С.Н., Губайдуллин Р.И.2022Yakupov S.N., Gubaidullin R.I.Якупов С.Н., Губайдуллин Р.И.https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0https://journals.rudn.ru/structural-mechanics/article/view/32021

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.

Защитные покрытия находят широкое применение во всех отраслях производства и жизнедеятельности. Необходимые качества покрытий обеспечиваются путем разработки сложных тонкослойных композиций. Сложность структуры покрытия проявляется и в процессе эксплуатации в результате воздействия окружающей среды, физических полей, человеческого фактора. Многие покрытия исходно формируются непосредственно на поверхностях конструкций, имеющих исходно сложную геометрию. При этом ряд smart-покрытий наряду со сложной структурой при срабатывании изменяют физико-механические свойства. При выборе покрытия, адгезива и технологии его нанесения возникают вопросы, связанные с определением их необходимых геометрических и физических параметров, с оценкой механических свойств и сроков их службы в зависимости от окружающей среды, физических полей и т. д. Для этого необходим надежный инструмент исследования. В обзоре на базе известных публикаций и патентов на изобретение отмечены методы исследования механических свойств расчленяемых и нерасчленяемых покрытий, методы определения адгезии - прочности сцепления покрытия к подложке, методы исследования расслоения составных элементов и отслоения покрытия от подложки. Акцентировано внимание на эффективных экспериментально-теоретических методах оценки механических свойств покрытия и адгезива на плоских и неплоских поверхностях, а также на некоторых актуальных результатах.

protective coatingsubstratecoatingsystemcomplex geometrystructuretensile rigiditymodulus of elasticityadhesiondelaminationresearch methodsexperimental-theoretical methodзащитное покрытиесистемаподложкапокрытиесложная геометрияструктуражесткость на растяжениемодуль упругостиадгезиярасслоениеметоды исследованияэкспериментально-теоретический методYakupov S.N., Yakupov N.M. Thin-layer films and coatings. Journal of Physics: Conference Series. 2017;857(1):012056. https://doi.org/10.1088/1742-6596/857/1/012056Yakupov N.M., Yakupov S.N. Thin-layer coatings. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings. 2017;(1):6-14. (In Russ.)Якупов Н.М., Якупов С.Н. Тонкослойные покрытия // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2017. № 1. С. 6-14.Yakupov S.N., Yakupov N.M. Research of mechanical characteristics thin coating. Journal of Physics: Conference Series. 2019;1328:012103. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1328/1/012103Gad-el-Hak M. (ed.) MEMS: Applications. Boca Raton: CRC Press; 2006. https://doi.org/10.1201/9781420036558Montemor 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.2014.06.031Taryba 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.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.2011.06.016Taylor 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.ch008Lejars 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/cr200350vHuang 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.0000000087Ildarkhanova 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/S2070205112070076Ahmad 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.2005.06.013Qian 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.2009.03.114Xue 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.2013.03.004Zhang 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/am302563wTsui 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-473-57Gao H., Huang Y., Nix W. Modeling plasticity at the micrometer scale. Naturwissenschaften. 1999;86: 507-515. https://doi.org/10.1007/s001140050665Bolesta 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.)Болеста А.В. Молекулярно-динамическое моделирование деформации тонких пленок // Вестник Нижегородского университета имени Н.И. Лобачевского. 2011. № 4 (2). С. 396-398.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.)Яновский Ю.Г., Никитина Е.А., Никитин С.М., Карнет Ю.Н. Квантово-механические исследования механизма деформации углеродных нанотрубок // Механика композиционных материалов и конструкций. 2009. Т. 15. № 3. С. 345-368.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.)Якупов Н.М., Галимов Н.К., Леонтьев А.А. Экспериментально-теоретический метод исследования прочности полимерных пленок // Механика композиционных материалов и конструкций. 2000. Т. 6. № 2. С. 238-243.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.)Якупов Н.М., Нургалиев А.Р., Якупов С.Н. Методика испытаний пленок и мембран в условиях равномерно распределенного поверхностного давления // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2008. Т. 74. № 11. С. 54-56.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.)Якупов Н.М., Якупов С.Н. Определение механических характеристик пленок с порами, нановключениями и нанопокрытиями // Сборник тезисов докладов участников Второго Международного форума по нанотехнологиям. М.: РОСНАНО, 2009. С. 427-429Yakupov 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/S1068798X09060100Yakupov 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.)Якупов С.Н. Механические характеристики тонких покрытий из оксида титана в системе «покрытие - полимерная пленка» // Механика композиционных материалов и конструкций. 2010. Т. 16. № 3. С. 436-444.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.)Якупов С.Н. Способ определения механических характеристик тонких покрытий в системе «покрытие - подложка» // Сборник тезисов докладов участников Второго Международного конкурса научных работ молодых ученых в области нанотехнологий. М.: РОСНАНО, 2009. С. 488-489.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/10.26896/1028-6861-2018-84-3-61-67Маркочев В.М., Егоров Г.П. Деформации и напряжения в консольной системе «пленка - подложка» // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. Т. 84. № 3. С. 61-66. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2018-84-3-61-67Shugurov 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.)Шугуров А.Р., Панин А.В., Казаченок М.С. Исследование упругой деформации пленок Ti при знакопеременном изгибе // Журнал технической физики. 2010. Т. 80. № 11. С. 35-40.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/S0025654411030058Галимов Н.К., Якупов Н.М., Якупов С.Н. Экспериментально-теоретический метод определения механических характеристик сферических пленок и мембран со сложной структурой // Механика твердого тела. 2011. № 3. С. 58-66.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/10.26896/1028-6861-2019-85-2-55-59Якупов Н.М., Галимов Н.К., Якупов С.Н. Методика исследования неплоских пленок и мембран сложной структуры // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2019. Т. 85. № 2. С. 55-59. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2019-85-2-55-59Kharislamova 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.)Харисламова Л.У., Якупов С.Н. Методы оценки прочности биологических мембран // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2014. № 6. С. 65-70.Goldstein R.V. (ed.) Fracture mechanics. The destruction of the materials. Moscow: Mir Publ.; 1979. p. 222-224. (In Russ.)Механика разрушения. Разрушение материалов / под ред. Р.В. Гольдштейна. М.: Мир, 1979. С. 222-224.Weil N.A., Newmark N.M. Large deflections of elliptical plates. Journal of Applied Mechanics. 1956;23(1):21-26.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/S0025654417050144Якупов С.Н. Экспериментально-теоретический метод определения адгезии пленки к подложке // Известия Российской академии наук. Механика твердого тела. 2017. Т. 52. № 5. С. 137-144.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.)Якупов С.Н. Механика системы «подложка - пленка» // XI Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики. Казань, 2015. С. 4323-4325.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/10.1088/1742-6596/1158/4/042039Yakupov 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/10.1088/1742-6596/1954/1/012053Shugurov 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.)Шугуров А.Р., Панин А.В. Механизмы периодической деформации системы «пленка - подложка» под действием сжимающих напряжений // Физическая мезомеханика. 2009. Т. 12. № 3. С. 23-32.Freund L.B., Suresh S. Thin film materials: stress, defect formation and surface evolution. Cambridge: Cambridge University Press; 2003.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.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.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.