[發明專利]一種測試薄膜彎曲疲勞壽命的試驗方法

有效

• 申請號: 201310246825.7
• 申請日: 2013-06-20
• 公開（公告）號: CN103364285A
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發明（設計）人: 謝東;冷永祥;黃楠
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: G01N3/32
• 分類號: G01N3/32
• 代理公司: 成都宏順專利代理事務所(普通合伙) 51227
• 代理人: 李順德;王睿

技術領域

本發明涉及薄膜材料疲勞性能測試領域，具體涉及一種測試薄膜彎曲疲勞壽命的試驗方法。

背景技術

現代社會中，各種薄膜材料已在機械、電子、光化學、傳感器、生物醫學工程等領域得到了廣泛的應用。在某些領域的應用過程中薄膜材料會受到周期性載荷的作用而產生疲勞行為。例如為提高金屬血管支架的生物相容性，可在其表面沉積具有抗凝效果的無機薄膜TiO₂、DLC或者一些有機藥物涂層進行表面改性，但是血管支架植入人體后，隨著血壓周期性的變化，血管支架也會周期性的擴張和收縮，從而對其表面的薄膜產生拉伸、壓縮的交變載荷作用。為評判這種血管支架的使用壽命及服役時的可靠性，亟待建立評估薄膜彎曲疲勞特性的方法。由于這些薄膜通常在納米或微米的數量級，無法用傳統的設備和方法對其疲勞特性進行測試。為研究這些薄膜的疲勞行為，國內外學者已開始提出一些新的測試方法和測試手段。

中國專利“一種測試納米厚度薄膜疲勞特性的試驗方法”（專利文獻號CN101251456B）中利用壓痕設備對納米薄膜進行疲勞實驗，通過分析接觸剛度連續急劇下滑時的循環次數來確定薄膜疲勞壽命，然而這種方法只能測試薄膜受到的沖擊疲勞行為，不適用于薄膜材料彎曲疲勞行為的研究。中國專利“薄膜材料動態彎曲疲勞性能測試系統及測試方法”（專利文獻號CN101571467B）中利用通電線圈在恒定磁場中所受的電磁力驅動懸臂梁試樣的自由端相對其平衡位置做往復振動從而對各種材料的試樣施加疲勞載荷作用，然而該技術沒有給出定量確定試樣受到載荷大小的方法，因此也就無法得到描述薄膜材料疲勞行為的S-N曲線。中國專利“柔性基板上金屬薄膜疲勞壽命測試方法”（專利文獻號CN101226163A）通過記錄電阻的變化來判斷金屬薄膜是否失效，但是這種方法不適用絕緣薄膜。

此外現有的薄膜材料疲勞性能測試方法中，每次實驗只能測試一種應力幅下的疲勞行為，如果要得到S-N曲線，需要花費大量的時間和成本。因此尋求一種適用性廣、快速方便獲得薄膜彎曲疲勞壽命的方法具有非常重要的應用價值。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種適用性廣、操作簡單、能夠快速方便獲得薄膜彎曲疲勞壽命的測試薄膜彎曲疲勞壽命的試驗方法。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案是：該測試薄膜彎曲疲勞壽命的試驗方法，包括以下步驟：

A、選取金屬細長梁作為基體并在基體表面的不同位置沉積多個待檢測的薄膜作為試樣件；

B、利用懸臂梁振動設備使得試樣件做懸臂梁彎曲振動，振動頻率為f，振動時間為t₀，以試樣件的自由端為坐標原點建立直角坐標系，并且在試樣件振動的過程中通過高速攝像系統記錄試樣件從自由端到固定端每隔△x位置時的振幅y；

C、對獲得的數據△x和y進行函數擬合，得到試樣件的振幅分布函數y(x)，x＝ｋ△x，其中ｋ為自然常數；然后對振幅分布函數y(x)再進行一階微分y(x)′和二階微分y(x)′′的數據處理，并將結果代入公式得到試樣件做懸臂梁彎曲振動時從自由端到固定端的應力幅分布，公式中E表示基體的彈性模量，h表示試樣件的厚度；

D、根據計算出的應力幅分布和每個薄膜中心所在的位置確定該處薄膜所受到的平均應力幅值Ｓ；

E、觀察基體表面沉積的薄膜否有開裂或剝落，如果薄膜沒有開裂或剝落，則重復B步驟和E步驟，當重復E步驟操作N次時，發現某處薄膜有開裂或剝落，則認為該處薄膜已經失效，該處薄膜的疲勞壽命次數定義為(N-1)×t₀×f，若其它位置處的薄膜還沒有開裂或剝落，則繼續重復B步驟和E步驟，直到基體表面沉積的所有薄膜都失效；

G、根據D步驟和E步驟作所得結果繪制薄膜S-N曲線。

進一步的是，所述懸臂梁振動設備的激振位置位于試樣件的固定端。

進一步的是，在步驟E中，采用光學顯微鏡觀察基體表面沉積的薄膜否有開裂或剝落。

進一步的是，所述基體采用不銹鋼、鈷基合金或者鈦合金制作而成。

進一步的是，所述基體的長度l為50～200mm，寬度b為5～10mm，厚度h為0.5～1mm。

進一步的是，所述薄膜的面積小于b×bmm²，其中b為基體的寬度，薄膜的厚度ｗ為5～5000nm。

進一步的是，在步驟B中，所述試樣件的振動頻率f為1～100Hz，每次振動時間t₀為5～60min。

進一步的是，在步驟C中，所述△x的取值為1～3mm。