[發(fā)明專利]界面結(jié)合強(qiáng)度激光沖擊定量測(cè)定方法及裝置

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 01137326.1
• 申請(qǐng)日: 2001-11-30
• 公開（公告）號(hào): CN1360204A
• 公開（公告）日: 2002-07-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周明;張永康;蔡蘭
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 江蘇大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N3/00
• 分類號(hào): G01N3/00;G01N3/30;G01N19/04;G01N21/45
• 代理公司: 南京知識(shí)律師事務(wù)所
• 代理人: 唐恒

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及激光技術(shù)和材料性能測(cè)試領(lǐng)域，特指一種界面結(jié)合強(qiáng)度的激光沖擊定量測(cè)定方法及裝置，其適用薄膜或膠粘劑的附著力的測(cè)定、各種復(fù)合材料如層板型復(fù)合材料的平面界面、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的球形界面以及纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中圓柱型界面的拉伸強(qiáng)度的定量測(cè)定，以及其它類型的界面結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)定。

背景技術(shù)

界面結(jié)合強(qiáng)度在界面科學(xué)研究中至關(guān)重要，但是如何直接、定量測(cè)定界面結(jié)合強(qiáng)度至今仍然是困擾世界各國(guó)科學(xué)家的難題。準(zhǔn)確說，只有界面拉伸強(qiáng)度才反映真實(shí)的界面結(jié)合強(qiáng)度，然而實(shí)驗(yàn)定量、直接測(cè)定的界面拉伸強(qiáng)度非常困難。目前，界面結(jié)合強(qiáng)度的表征，主要根據(jù)體系的宏觀易測(cè)性能和斷口金相分析來間接評(píng)估。不同界面拉伸強(qiáng)度的薄膜體系宏觀上表現(xiàn)出不同的界面剪切強(qiáng)度，所以通常用宏觀易測(cè)的界面剪切強(qiáng)度間接表征界面結(jié)合強(qiáng)度?，F(xiàn)有的測(cè)定方法大都是測(cè)定界面剪切強(qiáng)度，即建立一個(gè)非彈性過程開始的臨界應(yīng)力值。但不同的正應(yīng)力和切應(yīng)力組合可以激發(fā)相同的過程，這一事實(shí)使問題變得復(fù)雜。迄今為止，提出的測(cè)定方法雖多達(dá)二十余種，如拉伸法、壓痕法、劃痕法、彎曲法及斷裂力學(xué)法等。但每種方法都在測(cè)量技術(shù)和力學(xué)計(jì)算上都存在局限性和尚待解決的問題。

界面只有在單純拉應(yīng)力作用下直接剝離，測(cè)得的斷裂臨界值才能真正反映界面真實(shí)結(jié)合強(qiáng)度，而激光層裂技術(shù)為此提供了可能。激光層裂法定量測(cè)定平面型薄膜界面結(jié)合強(qiáng)度是由美國(guó)麻省理工學(xué)院的Gupta等人率先開展，并在Dartmouth?College申請(qǐng)專利：System?and?method?for?measuring?theinterface?tensile?strength?of?planar?interfaces，批準(zhǔn)號(hào)為US5438402。其原理是應(yīng)用短脈沖激光(脈寬一般為2ns-8ns)沖擊試樣，依靠從自由表面反射形成的拉伸波與入射壓縮應(yīng)力波在界面處相遇時(shí)受拉產(chǎn)生層裂，但幾乎所有研究都是定性的。他們應(yīng)用多普勒干涉儀在試樣背側(cè)采用一點(diǎn)干涉對(duì)心接受到達(dá)自由表面上的應(yīng)力波(記錄的為速度波形)，再據(jù)此采用擬合的方法得到估計(jì)的激光沖擊產(chǎn)生的入射應(yīng)力波波形，將其作為已知條件結(jié)合輸入有限元計(jì)算得到界面層裂強(qiáng)度。國(guó)外的其它學(xué)者如瑞士的Sigrit(Optical?Engineering.1995，34(7)：1916-1922)、法國(guó)的Sartori(Surface?and?CoatingsTechnology.1998，106：251-261)等，國(guó)內(nèi)的個(gè)別學(xué)者(材料研究學(xué)報(bào)，1996，10(4)，393～396)都仿照Gupta工作進(jìn)行了研究，他們都得到不同基體和薄膜體系的薄膜層裂的臨界激光沖擊入射能量閥值，但是沒有計(jì)算界面結(jié)合強(qiáng)度，主要原因是由于激光與材料耦合產(chǎn)生高幅應(yīng)力波的過程復(fù)雜，以激光沖擊參數(shù)和材料物性參數(shù)為輸入條件，目前無法建立相對(duì)正確、又統(tǒng)一的應(yīng)力波計(jì)算模型。

所以現(xiàn)有的激光層裂技術(shù)，它在測(cè)量原理和力學(xué)計(jì)算上仍然存在一些根本性的錯(cuò)誤和無法解決的問題：

1.包辛格效應(yīng)無法避免(材料研究學(xué)報(bào)，1996，10(4)，393～396)。平板型試樣導(dǎo)致薄膜層裂過

??程中總是先承受壓應(yīng)力再承受拉應(yīng)力，因?yàn)樗荒芤揽咳肷鋲嚎s應(yīng)力波在后自由表面反射形

??成拉伸應(yīng)力波，其與入射壓縮應(yīng)力波在界面處疊加，產(chǎn)生剝離，無法形成單純拉伸應(yīng)力區(qū)。

??因此包辛格效應(yīng)對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響無法排除，導(dǎo)致測(cè)量值偏大。

2.測(cè)量結(jié)果不直接反映界面結(jié)合強(qiáng)度。在層裂判別問題上，目前必須通過顯微鏡，僅能觀察到

??薄膜既開裂又剝落的情況，對(duì)于薄膜脫粘和裂紋擴(kuò)展的情況無法檢測(cè)。因此現(xiàn)有的測(cè)量結(jié)果

??均是界面層裂強(qiáng)度和薄膜斷裂能的綜合結(jié)果。從對(duì)應(yīng)的激光入射能量大小看，薄膜剝落的是

??未剝落的2-6倍，故測(cè)量結(jié)果嚴(yán)重偏大。此系測(cè)量原理缺陷造成。

3.薄膜表面一點(diǎn)干涉測(cè)量界面后自由表面應(yīng)力波，無法得到入射應(yīng)力波幅值和波形，計(jì)算中只

??能采用擬合波形或估計(jì)波形，不然只能用激光入射能量臨界值定性表征。而且，現(xiàn)有技術(shù)只

??能測(cè)定平面型界面。

4.層裂強(qiáng)度計(jì)算存在錯(cuò)誤。現(xiàn)有技術(shù)首先應(yīng)用低幅激光入射得到理想應(yīng)力波波形，再將實(shí)測(cè)的

??自由表面應(yīng)力史數(shù)據(jù)與該理想的完整的應(yīng)力波波形擬合，其結(jié)果作為輸入進(jìn)行計(jì)算或數(shù)值模

??擬和有限元分析。該過程一方面失去了實(shí)測(cè)波形中的薄膜層裂信息，另一方面造成輸入條件

??不確定問題，其計(jì)算結(jié)果同樣存在較大偏差。

5.薄膜厚度受限只能是幾微米甚至更薄。因?yàn)榻缑娴膭冸x必須依賴經(jīng)薄膜自由表面反射的拉伸