專利名稱：定量表征薄膜材料界面結(jié)合性能的屈曲測試方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種定量表征薄膜材料界面結(jié)合性能的屈曲測試方法及裝置，屬于實驗力學(xué)和材料力學(xué)性能表征技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，薄膜/基底體系在表面改性和材料科學(xué)中廣泛應(yīng)用，薄膜材料在使用的過程中，由于與基底材料在微觀結(jié)構(gòu)等方面存在著差異，因而在機(jī)械載荷、熱載荷等各種復(fù)雜環(huán)境下會表現(xiàn)出應(yīng)力、應(yīng)變的失配，最終會導(dǎo)致薄膜涂層材料的失效。工程應(yīng)用中，薄膜/基底體系典型的失效模式為薄膜或涂層從基底上剝落。薄膜/基底體系界面結(jié)合的是否良好很大程度上決定著這種材料的服役壽命，因此界面結(jié)合性能的表征對材料的實際應(yīng)用具有非常重要的意義。薄膜/基底材料的界面結(jié)合性能的表征是研究薄膜界面失效機(jī)制和預(yù)防其失效的基礎(chǔ)，它涉及材料、力學(xué)、物理等交叉學(xué)科，薄膜失效問題的復(fù)雜性，失效現(xiàn)象的多樣性以及難以預(yù)測性，使得薄膜界面結(jié)合性能的表征成為了公認(rèn)的疑難問題。國際著名學(xué)者Evans、Hutchinson、Nix等在此領(lǐng)域做出了杰出貢獻(xiàn)，在國內(nèi)，國家也資助了多個國家自然科學(xué)基金項目開展與薄膜界面相關(guān)的研究工作，但到目前為止，薄膜的結(jié)合性能的表征仍處于理論和實驗探索階段。薄膜基底體系界面結(jié)合性能的定量表征是眾多研究者和使用者一致追求的目標(biāo)，但由于薄膜種類和薄膜技術(shù)的多樣性，追求單一的表征參量和表征方法的努力至今尚無成功的跡象。在一些國家標(biāo)準(zhǔn)中，甚至不得不推薦用簡單的彎曲次數(shù)判定薄膜與基底結(jié)合的牢固程度。這不僅讓工程師們無所適從，也令研究者們感到汗顏。目前表征薄膜/基底材料界面結(jié)合性能的方法多達(dá)200余種，如拉伸法、劃痕法、剝離法、壓痕法、鼓包法等等，但是還沒有一種標(biāo)準(zhǔn)的表征方法適合于各種薄膜/基底材料體系。拉伸法適用于弱界面的脆/韌、脆/脆體系，只有在界面結(jié)合強(qiáng)度小于粘結(jié)強(qiáng)度時才有意義。壓痕法適用于脆性薄膜/剛性基底、脆性薄膜/脆性基底材料體系，理論上的一些機(jī)制、界面結(jié)合強(qiáng)度的表征以及各種因素對臨界載荷的影響等，這些問題如果不能很好解決，壓痕法的應(yīng)用就會受到限制。剝離法適用于脆性薄膜和韌性薄膜，雖然直觀易行，但很難提取界面裂紋擴(kuò)展能量。鼓包法雖然能夠定量的測量薄膜的界面結(jié)合性能，但是它的制樣比較困難，加大了實驗的難度。亟待一種表征方法來定量表征薄膜-基底體系的界面結(jié)合性能。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明提供了一種定量表征薄膜材料界面結(jié)合性能的屈曲測試方法及裝置。一種定量表征薄膜材料界面結(jié)合性能的屈曲測試方法，其具體步驟如下a.制備鍍覆待測涂鍍層試樣，將試樣未鍍覆的面用砂紙打磨至鏡面光滑；b.將制備好的鍍覆待測涂鍍層的試樣夾持在萬能材料試驗機(jī)上，并將CCD相機(jī)對準(zhǔn)待測試樣的橫截面，調(diào)節(jié)CCD相機(jī)的位置和焦距，使待測試樣在CCD相機(jī)視場的中間成清晰的圖像；c.對試樣進(jìn)行軸向的單軸壓縮，萬能材料試驗機(jī)實時記錄試樣的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值，同時通過CCD相機(jī)對加載過程中試樣的橫截面進(jìn)行同步的實時觀測，實時記錄屈曲過程中的臨界應(yīng)力、撓度以及裂紋長度的剝離特征；d.建立涂鍍層-基底應(yīng)力應(yīng)變歷史與剝離特征之間的關(guān)系來表征涂鍍層-基底的界面結(jié)合性能；涂鍍層屈曲時界面的能量釋放率G可由下式計算得到
權(quán)利要求
1.一種定量表征薄膜材料界面結(jié)合性能的屈曲測試方法，其特征在于，具體步驟如下a.制備鍍覆待測涂鍍層試樣，將試樣未鍍覆的面用砂紙打磨至鏡面光滑；b.將制備好的鍍覆待測涂鍍層的試樣夾持在萬能材料試驗機(jī)上，并將CCD相機(jī)對準(zhǔn)待測試樣的橫截面，調(diào)節(jié)CCD相機(jī)的位置和焦距，使待測試樣在CCD相機(jī)視場的中間成清晰的圖像；c.對試樣進(jìn)行軸向的單軸壓縮，萬能材料試驗機(jī)實時記錄試樣的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值，同時通過CCD相機(jī)對加載過程中試樣的橫截面進(jìn)行同步的實時觀測，實時記錄屈曲過程中的臨界應(yīng)力、撓度以及裂紋長度的剝離特征；d.建立涂鍍層-基底應(yīng)力應(yīng)變歷史與剝離特征之間的關(guān)系來表征涂鍍層-基底的界面結(jié)合性能；涂鍍層屈曲時界面的能量釋放率G可由下式計算得到
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述鍍覆待測涂鍍層試樣的基底長度為10 mm，寬度為5 mm，厚度為5 mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述CCD相機(jī)的拍照頻率為Γ2秒/張。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述萬能材料試驗機(jī)的加載模式為載荷加載，加載速率均為3000 N/min，壓縮的最大位移為廣2 _。
5.一種定量表征薄膜材料界面結(jié)合性能的屈曲測試裝置，其特征在于CCD相機(jī)(3)、監(jiān)視器(4)、圖像處理卡(5)、計算機(jī)(6)、數(shù)據(jù)處理卡(7)、載荷傳感器(8)和萬能材料試驗機(jī)(I)順次相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于所述CCD相機(jī)(3)的拍照頻率為f2秒/張。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于所述萬能材料試驗機(jī)(I)的加載模式為載荷加載，加載速率均為3000 N/min，壓縮的最大位移為廣2 _。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種定量表征薄膜材料界面結(jié)合性能的屈曲測試方法及裝置，屬于實驗力學(xué)和材料力學(xué)性能表征技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明通過萬能材料試驗機(jī)對試樣進(jìn)行軸向的單軸壓縮，并記錄試樣的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值，同時通過CCD相機(jī)對加載過程試樣的橫截面進(jìn)行同步的實時觀測，并實時記錄屈曲過程中的臨界應(yīng)力，撓度以及裂紋長度等剝離特征，建立涂鍍層-基底應(yīng)力應(yīng)變歷史與剝離特征之間的關(guān)系來表征涂鍍層-基底的界面結(jié)合性能。本發(fā)明裝置的CCD相機(jī)、監(jiān)視器、圖像處理卡、計算機(jī)、數(shù)據(jù)處理卡、載荷傳感器和萬能材料試驗機(jī)順次相連。本發(fā)明具有原理簡單、試樣制備簡單、模型清晰、易于操作等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G01N19/04GK103018160SQ201210528158
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月10日
發(fā)明者周益春, 朱旺, 郭進(jìn)偉, 楊麗, 蔡燦英 申請人:湘潭大學(xué)