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

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