[發(fā)明專利]一種涂層界面結(jié)合強(qiáng)度的檢測方法及其設(shè)備

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811432446.6
• 申請(qǐng)日: 2018-11-28
• 公開（公告）號(hào): CN109406390A
• 公開（公告）日: 2019-03-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙朋飛
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心
• 主分類號(hào): G01N19/04
• 分類號(hào): G01N19/04
• 代理公司: 北京風(fēng)雅頌專利代理有限公司 11403
• 代理人: 李莎;李弘

本發(fā)明公開了一種涂層界面結(jié)合強(qiáng)度的檢測方法，涉及涂層界面結(jié)合強(qiáng)度性能檢測技術(shù)領(lǐng)域，包括以下步驟：基于涂層和基底的相關(guān)數(shù)據(jù)，確定表征涂層界面結(jié)合特性的內(nèi)聚區(qū)單元；基于內(nèi)聚區(qū)參數(shù)和內(nèi)聚區(qū)單元遵守的內(nèi)聚力?張開位移關(guān)系，計(jì)算得到涂層結(jié)合強(qiáng)度的模擬結(jié)果；基于模擬結(jié)果與通過實(shí)驗(yàn)獲得涂層結(jié)合強(qiáng)度的測試結(jié)果的對(duì)比，獲得描述涂層界面結(jié)合強(qiáng)度的應(yīng)力指標(biāo)和能量指標(biāo)。本發(fā)明能夠描述界面裂紋萌生和沿界面擴(kuò)展的全過程，給出的表征界面結(jié)合性能指標(biāo)僅取決于涂層材料本身特性，與試樣幾何無關(guān)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及涂層界面結(jié)合強(qiáng)度性能檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種涂層界面結(jié)合強(qiáng)度的檢測方法及其設(shè)備。

背景技術(shù)

為滿足特定的環(huán)境防護(hù)及功能需求，涂層及薄膜材料在現(xiàn)代動(dòng)力裝備及電子產(chǎn)品中逐漸獲得了廣泛的應(yīng)用。這些涂層/基底材料系統(tǒng)在使用過程中可能長期經(jīng)受高溫、振動(dòng)、溫循等環(huán)境-載荷的聯(lián)合破壞作用，涂層的失效模式、結(jié)合強(qiáng)度及使用可靠性等指標(biāo)越來越受到工程技術(shù)人員的重視。如何準(zhǔn)確地表征與評(píng)價(jià)涂層的結(jié)合性能，目前主要有兩種觀點(diǎn)：一是應(yīng)力觀點(diǎn)，即涂層從基底上剝落時(shí)單位面積上所需力的大小，通常采用結(jié)合強(qiáng)度(包括拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度)和應(yīng)力強(qiáng)度因子等參數(shù)來表征，其中拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度分別反映材料系統(tǒng)界面抵抗拉伸和剪切破壞的能力，而應(yīng)力強(qiáng)度參數(shù)來源于線彈性斷裂力學(xué)的有關(guān)概念；二是能量學(xué)觀點(diǎn)，即涂層從基底上剝落時(shí)單位面積所需能量的大小，包括界面韌性和斷裂韌性等參數(shù)，其中韌性表示材料從產(chǎn)生變形到直至斷裂的整個(gè)過程中所吸收的能量，而斷裂韌性則表征材料在含有預(yù)裂紋的情況下，抵抗該預(yù)裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展的能力。

目前常用的獲取結(jié)合強(qiáng)度表征指標(biāo)的手段主要包括理論解析法和有限元模擬法，如裂紋尖端應(yīng)力解析法、應(yīng)力強(qiáng)度因子法、能量釋放率法等都屬于基于力學(xué)模型推導(dǎo)的理論分析方法。有限元法的基本思路是，依據(jù)測試曲線對(duì)實(shí)驗(yàn)的加載過程開展有限元建模分析和數(shù)值模擬，獲取裂紋啟裂時(shí)刻斷裂面的應(yīng)力場分布，從中提取峰值表征涂層材料啟裂強(qiáng)度的應(yīng)力指標(biāo)。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)表征與評(píng)價(jià)涂層的結(jié)合性能的方法存在以下缺陷：雖然采用應(yīng)力強(qiáng)度因子的觀點(diǎn)被證明是有效的，但主要將其應(yīng)用于分析宏觀塊體材料的界面裂紋問題中，對(duì)于微納米量級(jí)的涂層或薄膜材料界面分層問題，該理論存在明顯的不足。首先，界面分層啟裂的應(yīng)力奇異性參數(shù)依賴于其幾何特征，界面啟裂特性參數(shù)是與試樣幾何相關(guān)的；其次，盡管他們描述了相同的界面材料分離破壞，得到的控制界面裂紋萌生和擴(kuò)展的韌性參數(shù)并不相同；第三，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)試樣中的相關(guān)層厚度變小時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度因子的主導(dǎo)區(qū)縮小到距離界面端部幾個(gè)微米的范圍，甚至更小。這種情形下，斷裂力學(xué)概念能否繼續(xù)適用值得商榷。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種涂層界面結(jié)合強(qiáng)度的檢測方法及其設(shè)備，使得涂層界面結(jié)合強(qiáng)度的計(jì)算不依賴其幾何特征。

基于上述目的本發(fā)明提供的一種涂層界面結(jié)合強(qiáng)度的檢測方法，包括以下步驟：

基于涂層和基底的相關(guān)數(shù)據(jù)，確定表征涂層界面結(jié)合特性的內(nèi)聚區(qū)單元；

基于內(nèi)聚區(qū)參數(shù)和內(nèi)聚區(qū)單元遵守的內(nèi)聚力-張開位移關(guān)系，計(jì)算得到涂層結(jié)合強(qiáng)度的模擬結(jié)果；

基于模擬結(jié)果與通過實(shí)驗(yàn)獲得涂層結(jié)合強(qiáng)度的測試結(jié)果的對(duì)比，獲得描述涂層界面結(jié)合強(qiáng)度的應(yīng)力指標(biāo)和能量指標(biāo)。

可選的，確定表征涂層界面結(jié)合特性的內(nèi)聚區(qū)單元包括以下步驟：

收集涂層和基底的相關(guān)數(shù)據(jù)；

通過收集的相關(guān)數(shù)據(jù)生成出模擬涂層實(shí)驗(yàn)加載工況的有限元網(wǎng)格模型；

在有限元網(wǎng)格模型中確定表征涂層界面結(jié)合特性的內(nèi)聚區(qū)單元。

可選的，計(jì)算得到涂層結(jié)合強(qiáng)度的模擬結(jié)果包括以下步驟：

將內(nèi)聚區(qū)單元信息輸出到模型源文件中，在模型源文件中調(diào)整有限元計(jì)算所用的控制參數(shù)；