專利名稱：：測(cè)試涂層/薄膜-基體界面結(jié)合強(qiáng)度的彈丸沖擊法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及涂層/薄膜
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種測(cè)量涂層/薄膜_基體界面結(jié)合強(qiáng)度的彈丸沖擊法。
背景技術(shù)：
：涂層/薄膜技術(shù)的首要問題通常存在于涂層/薄膜與基體的結(jié)合，而涂層/薄膜_基體界面實(shí)際結(jié)合強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)室表征，就是通過設(shè)計(jì)加載方式剝離涂層/薄膜，并建立涂層/薄膜剝離行為與載荷的關(guān)系。由于涂層/薄膜基體體系的跨尺度結(jié)構(gòu)特征，如何在涂層/薄膜-基體界面上有效的施加載荷來剝離涂層/薄膜一直是試驗(yàn)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和熱點(diǎn)?？傮w來看，早期比較常見的加載方式都是準(zhǔn)靜態(tài)的，且可以大致納入三大類，第一類是^f吏涂層/薄膜發(fā)生局部變形從而將載荷傳遞到涂層/薄膜_基體界面的方法，如劃痕法(輔以聲發(fā)射、切向力、振動(dòng)針等甄別手段)、壓痕法和刮剝法；第二類是使基體發(fā)生變形從而將載荷轉(zhuǎn)移到涂層/薄膜-基體界面的方法，如彎曲法、基片拉伸法、側(cè)面壓入法；第三類是使用粘結(jié)劑的測(cè)量方法，通過粘結(jié)劑在涂層/薄膜側(cè)拓展出可以方便的施加拉、扭載荷的輔助結(jié)構(gòu)。這些傳統(tǒng)的測(cè)試方法在很大程度上滿足了一些工程實(shí)際需要，但是它們存在的不足和局限性也是眾所周知的前兩類方法存在變形高度局部化、大變形使得力學(xué)模型難以清晰，從而涂層/薄膜剝離與載荷的定性關(guān)系難以獲得，并且涂層/薄膜-基體界面上同時(shí)承受切向力和法向力，無法分離出涂層/薄膜-基體界面剪切破壞強(qiáng)度和拉伸破壞強(qiáng)度；而第三類方法雖然能制造出較低混合度的涂層/薄膜-基體界面載荷模式，也給出比較簡(jiǎn)單的模型描述，卻由于受限于粘結(jié)劑本身的強(qiáng)度而只能測(cè)試出較弱的涂層/薄膜-基體界面結(jié)合強(qiáng)度。同時(shí)，以上方法無法測(cè)試動(dòng)態(tài)(較高應(yīng)變率)涂層/薄膜-基體界面結(jié)合性能。針對(duì)這些問題，Vossen等提出了所謂的激光層裂法。激光層裂法的最初思想是以短脈沖激光沖擊平板試樣的基體表面，基體表層材料的爆炸性氣化產(chǎn)生高強(qiáng)度的壓縮應(yīng)力波，該壓縮波沿試樣向涂層/薄膜側(cè)傳播，在涂層/薄膜-基體界面處將發(fā)生反射和透射，透射壓縮波在涂層/薄膜自由表面發(fā)生反射形成拉伸波，此拉伸波與入射波在涂層/薄膜-基體界面處疊加產(chǎn)生拉伸應(yīng)力而使得涂層/薄膜沿涂層/薄膜-基體界面開裂。WangJunlan等用三棱柱狀試樣代替平板試樣來實(shí)現(xiàn)涂層/薄膜-基體界面的剪切、拉伸混合加載剝離，使該方法的內(nèi)涵進(jìn)一步得到擴(kuò)充。然而，就象上述研究者都提到的那樣，由于激光層裂法使用激光將基體材料高速氣化，這一過程包含了復(fù)雜的熱-物理-力學(xué)過程，因此全過程的模型化研究相當(dāng)困難，應(yīng)力作用歷史難以清晰描述。此后，侯振德等提出利用Hopkinson壓桿裝置原理，以金屬桿沖擊試樣基體側(cè)，在涂層/薄膜-基體界面處制造拉伸應(yīng)力來評(píng)估涂層/薄膜-基體界面結(jié)合強(qiáng)度。這種方法對(duì)于結(jié)合相對(duì)較弱的厚涂層/薄膜來說，具有原理清晰、模型相對(duì)簡(jiǎn)單及可操作性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。但是該方法所能提供的載荷水平較低,對(duì)于強(qiáng)結(jié)合涂層/薄膜-基體界面結(jié)合性能無法評(píng)估(從這個(gè)角度來講，粘結(jié)劑法甚至能達(dá)到更高的應(yīng)力水平)；同時(shí)該方法需要將基體制成細(xì)長(zhǎng)桿，然后在桿端涂敷涂層/薄膜，這種試樣制作要求過高；并且該方法只適用于較厚的涂層。
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種原理簡(jiǎn)單、模型清晰，能夠測(cè)試強(qiáng)結(jié)合的涂層/薄膜-基體界面結(jié)合性能，能夠測(cè)試涂層/薄膜-基體界面動(dòng)態(tài)性能，可操作性強(qiáng)的方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種測(cè)試涂層/薄膜-基體界面結(jié)合強(qiáng)度的彈丸沖擊法，該方法具體步驟如下1)制備涂有待測(cè)涂層的平板試樣；2)制備涂有涂層的彈丸，彈丸基體由聲阻抗較低的材料制成；3)用發(fā)射裝置發(fā)射彈丸，使彈丸以覆有涂層一端垂直沖擊試樣上的基體表面；4)測(cè)量彈丸與試樣接觸時(shí)的初速度，并通過已有的數(shù)值計(jì)算和理論分析方法，求得試樣涂層/薄膜-基體界面應(yīng)力歷史；5)測(cè)量試樣上的涂層/薄膜-基體界面剝離特征尺寸，建立涂層/薄膜-基體界面應(yīng)力歷史與涂層/薄膜-基體界面剝離特征尺寸的關(guān)系，以評(píng)價(jià)涂層/薄膜_基體界面結(jié)合性能。進(jìn)一步，所述步驟5)中的涂層/薄膜-基體界面剝離特征尺寸具體為剝離區(qū)域的半徑。進(jìn)一步，所述彈丸為圓柱形，涂層位于圓柱形的前端面。進(jìn)一步，所述彈丸基體的材質(zhì)為塑料。進(jìn)一步，所述發(fā)射裝置為氣槍、彈道槍或氣體炮。本發(fā)明通過采用帶有涂層的彈丸沖擊帶有涂層的平板試樣的基體表面，建立起涂層/薄膜_基體界面應(yīng)力歷史與涂層/薄膜-基體界面剝離特征尺寸的關(guān)系，來評(píng)價(jià)涂層/薄膜-基體的界面結(jié)合性能，既能夠測(cè)試強(qiáng)結(jié)合的涂層/薄膜-基體界面結(jié)合性能，也能夠測(cè)試涂層/薄膜-基體界面動(dòng)態(tài)性能，具有原理簡(jiǎn)單、模型清晰、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明圖1是本發(fā)明提出的測(cè)試涂層/薄膜-基體界面結(jié)合強(qiáng)度的彈丸沖擊法立體圖；圖2是本發(fā)明提出的測(cè)試涂層/薄膜-基體界面結(jié)合強(qiáng)度的彈丸沖擊法主視圖；圖3是本發(fā)明提出的測(cè)試涂層/薄膜-基體界面結(jié)合強(qiáng)度的彈丸沖擊法基體表面與試樣涂層/薄膜-基體界面法向應(yīng)力變化圖。具體實(shí)施方式實(shí)施例1:參見圖l和圖2,本發(fā)明人提出的基于層裂效應(yīng)的彈丸沖擊法，基本原理是以聲阻抗較低的材料(如塑料)作為圓柱彈丸1，由圓柱形的彈丸基體11和鍍覆在彈丸基體11前端面上的彈丸涂層12組成，彈丸涂層12的聲阻抗與試樣基體21接近。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>試樣涂層22內(nèi)的聲速試樣2固定在支架上，用彈丸發(fā)射裝置，如氣^T、彈道槍或氣體炮發(fā)射彈丸1,使彈丸1沿垂直試樣方向以一定的速度V。沖擊平面試樣2基體21表面，并產(chǎn)生壓縮應(yīng)力波，該應(yīng)力波從基體上的被沖擊部位傳播到涂層/薄膜外側(cè)自由面221時(shí)發(fā)生反射,反射波與入射波疊加在涂層/薄膜-基體界面23處形成拉伸應(yīng)力波，從而使涂層/薄膜剝落。根據(jù)應(yīng)力波理論，在基體側(cè)產(chǎn)生應(yīng)力擾動(dòng)水平為a,.的壓縮應(yīng)力波向試樣內(nèi)部及涂層/薄膜側(cè)傳播時(shí)，將在涂層/薄膜、基體、涂層/薄膜-基體界面處發(fā)生反射和透射；而透射波傳播到涂層/薄膜自由表面時(shí)又將發(fā)生反射形成拉伸波。涂層/薄膜-基體界面處產(chǎn)生的反射波為單純的膨脹波且有透射波為膨脹波",，且有其中<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>分別稱為反射系數(shù)和透射系數(shù)。這里^(/7。c丄/(yO。c丄，是基體(以腳標(biāo)符號(hào)S表示)和涂層/薄膜(以角標(biāo)符號(hào)c表示)的聲阻抗之比。其中a表示材料的密度，c。表示在該材料中的聲速。透射波C在涂層/薄膜自由表面產(chǎn)生的反射波。"有<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>在涂層/薄膜-基體界面處的應(yīng)力水平a應(yīng)為入射波a,.、反射波。;、透射波^和反射波C7"的疊加。通過控制彈丸涂層的厚度，可使拉應(yīng)力首先出現(xiàn)在涂層/薄膜-基體界面附近區(qū)域內(nèi)，從而可望將涂層-基體沿涂層/薄膜-基體界面剝離。如果沿用經(jīng)典的最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則，可認(rèn)為當(dāng)涂層/薄膜-基體界面處拉應(yīng)力"達(dá)到或超過材料抗拉臨界值""即當(dāng)O時(shí)出現(xiàn)涂層/薄膜-基體沿涂層/薄膜-基體界面的分離。通過測(cè)量彈丸初速度(即彈丸沖擊試樣前瞬間的速度)，可通過理論分析得到涂層/薄膜-基體界面應(yīng)力歷史，從而可建立起涂層/薄膜-基體界面應(yīng)力歷史與涂層/薄膜-基體界面剝離的關(guān)聯(lián)，獲得涂層/薄膜-基體界面結(jié)合性能指標(biāo)。觀察涂層/薄膜-基體界面破壞形貌，測(cè)量涂層/薄膜-基體界面剝離特征尺寸；建立涂層/薄膜-基體界面應(yīng)力歷史與涂層/薄膜-基體界面剝離特征尺寸的關(guān)系，評(píng)價(jià)涂層/薄膜-基體界面結(jié)合性能。例如，彈丸長(zhǎng)度/=5mm，半徑r=2.5mm,試樣基體厚度^=lmm，試樣半徑rs=10mm和彈丸涂層厚度^與試樣涂層厚度G相同且均為0.lmm，測(cè)得彈丸初速度V。=250m/s。材料常數(shù)如表1所示表l材料常數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>其中l(wèi)-彈丸；2-彈丸涂層，試樣基體；3-試樣涂層；p-密度，E-彈性模量，u-泊松比。以有限元法計(jì)算可得，基體表面應(yīng)力和涂層/薄膜-基體界面應(yīng)力隨時(shí)間變化如圖3所示。其中縱坐標(biāo)表示涂層/薄膜-基體界面法向應(yīng)力，正值為拉應(yīng)力，負(fù)值為壓應(yīng)力。可見涂層/薄膜-基體界面處在壓縮應(yīng)力脈沖之后(約0.25<敖秒時(shí))，出現(xiàn)了拉應(yīng)力，該拉伸應(yīng)力將導(dǎo)致試樣涂層/薄膜-基體界面萌生損傷、出現(xiàn)涂層/薄膜-基體界面剝離。這種制造壓縮應(yīng)力波的動(dòng)態(tài)方法能有效測(cè)試涂層/薄膜-基體界面結(jié)合性能，該方法既可避免激光層裂法中激光沖擊的復(fù)雜物理過程，又可克服Hopkinson壓桿方法應(yīng)力水平低及試樣制備要求高的問題。權(quán)利要求1.一種測(cè)試涂層/薄膜-基體界面結(jié)合強(qiáng)度的彈丸沖擊法，其特征在于，包括如下步驟1)制備涂有待測(cè)涂層的平板試樣；2)制備涂有涂層的彈丸，彈丸基體由聲阻抗較低的材料制成；3)用發(fā)射裝置發(fā)射彈丸，使彈丸以覆有涂層一端垂直沖擊試樣上的基體表面；4)測(cè)量彈丸與試樣接觸時(shí)的初速度，并通過已有的數(shù)值計(jì)算和理論分析方法，求得試樣涂層/薄膜-基體界面應(yīng)力歷史；5)測(cè)量試樣上的涂層/薄膜-基體界面剝離特征尺寸，建立涂層/薄膜-基體界面應(yīng)力歷史與涂層/薄膜-基體界面剝離特征尺寸的關(guān)系，以評(píng)價(jià)涂層/薄膜-基體界面結(jié)合性能。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)試涂層/薄膜-基體界面結(jié)合強(qiáng)度的彈丸沖擊法，其特征在于，所述步驟5)中的涂層/薄膜-基體界面剝離特征尺寸具體為剝離區(qū)域的半徑。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)試涂層/薄膜_基體界面結(jié)合強(qiáng)度的彈丸沖擊法，其特征在于，所述彈丸為圓柱形，涂層位于圓柱形的前端面。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)試涂層/薄膜-基體界面結(jié)合強(qiáng)度的彈丸沖擊法，其特征在于，所述彈丸基體的材質(zhì)為塑料。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)試涂層/薄膜-基體界面結(jié)合強(qiáng)度的彈丸沖擊法，其特征在于，所述發(fā)射裝置為氣槍、彈道槍或氣體炮。全文摘要本發(fā)明公開了一種測(cè)試涂層/薄膜-基體界面結(jié)合強(qiáng)度的彈丸沖擊法，包括如下步驟制備涂有待測(cè)涂層的平板試樣；制備有涂層的彈丸，彈丸基體由聲阻抗較低的材料制成；用發(fā)射裝置發(fā)射彈丸，使彈丸以覆有涂層部位垂直沖擊試樣上的基體表面；測(cè)量彈丸與試樣接觸時(shí)的初速度，并通過已知的數(shù)值計(jì)算和理論分析，求得試樣涂層/薄膜-基體界面應(yīng)力歷史；測(cè)量試樣上的涂層/薄膜-基體界面剝離特征尺寸，建立涂層/薄膜-基體界面應(yīng)力歷史與涂層/薄膜-基體界面剝離特征尺寸的關(guān)系，以評(píng)價(jià)涂層/薄膜-基體界面結(jié)合性能。本發(fā)明原理簡(jiǎn)單、模型清晰；能測(cè)試強(qiáng)結(jié)合涂層的涂層/薄膜-基體界面結(jié)合性能及涂層/薄膜-基體界面動(dòng)態(tài)性能，可操作性強(qiáng)。文檔編號(hào)G01N19/04GK101236152SQ200810101299公開日2008年8月6日申請(qǐng)日期2008年3月3日優(yōu)先權(quán)日2008年3月3日發(fā)明者盧哲猛,吳臣武,廖孟豪,坤張,楊班權(quán),羅耕星,陳光南申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所