[发明专利]界面结合强度激光冲击定量测定方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及激光技术和材料性能测试领域，特指一种界面结合强度的激光冲击定量测定方法及装置，其适用薄膜或胶粘剂的附着力的测定、各种复合材料如层板型复合材料的平面界面、颗粒增强复合材料的球形界面以及纤维增强复合材料中圆柱型界面的拉伸强度的定量测定，以及其它类型的界面结合强度的测定。

背景技术

界面结合强度在界面科学研究中至关重要，但是如何直接、定量测定界面结合强度至今仍然是困扰世界各国科学家的难题。准确说，只有界面拉伸强度才反映真实的界面结合强度，然而实验定量、直接测定的界面拉伸强度非常困难。目前，界面结合强度的表征，主要根据体系的宏观易测性能和断口金相分析来间接评估。不同界面拉伸强度的薄膜体系宏观上表现出不同的界面剪切强度，所以通常用宏观易测的界面剪切强度间接表征界面结合强度。现有的测定方法大都是测定界面剪切强度，即建立一个非弹性过程开始的临界应力值。但不同的正应力和切应力组合可以激发相同的过程，这一事实使问题变得复杂。迄今为止，提出的测定方法虽多达二十余种，如拉伸法、压痕法、划痕法、弯曲法及断裂力学法等。但每种方法都在测量技术和力学计算上都存在局限性和尚待解决的问题。

界面只有在单纯拉应力作用下直接剥离，测得的断裂临界值才能真正反映界面真实结合强度，而激光层裂技术为此提供了可能。激光层裂法定量测定平面型薄膜界面结合强度是由美国麻省理工学院的Gupta等人率先开展，并在Dartmouth College申请专利：System and method for measuring theinterface tensile strength of planar interfaces，批准号为US5438402。其原理是应用短脉冲激光(脉宽一般为2ns-8ns)冲击试样，依靠从自由表面反射形成的拉伸波与入射压缩应力波在界面处相遇时受拉产生层裂，但几乎所有研究都是定性的。他们应用多普勒干涉仪在试样背侧采用一点干涉对心接受到达自由表面上的应力波(记录的为速度波形)，再据此采用拟合的方法得到估计的激光冲击产生的入射应力波波形，将其作为已知条件结合输入有限元计算得到界面层裂强度。国外的其它学者如瑞士的Sigrit(Optical Engineering.1995，34(7)：1916-1922)、法国的Sartori(Surface and CoatingsTechnology.1998，106：251-261)等，国内的个别学者(材料研究学报，1996，10(4)，393～396)都仿照Gupta工作进行了研究，他们都得到不同基体和薄膜体系的薄膜层裂的临界激光冲击入射能量阀值，但是没有计算界面结合强度，主要原因是由于激光与材料耦合产生高幅应力波的过程复杂，以激光冲击参数和材料物性参数为输入条件，目前无法建立相对正确、又统一的应力波计算模型。

所以现有的激光层裂技术，它在测量原理和力学计算上仍然存在一些根本性的错误和无法解决的问题：

1.包辛格效应无法避免(材料研究学报，1996，10(4)，393～396)。平板型试样导致薄膜层裂过

  程中总是先承受压应力再承受拉应力，因为它只能依靠入射压缩应力波在后自由表面反射形

  成拉伸应力波，其与入射压缩应力波在界面处叠加，产生剥离，无法形成单纯拉伸应力区。

  因此包辛格效应对测定结果的影响无法排除，导致测量值偏大。

2.测量结果不直接反映界面结合强度。在层裂判别问题上，目前必须通过显微镜，仅能观察到

  薄膜既开裂又剥落的情况，对于薄膜脱粘和裂纹扩展的情况无法检测。因此现有的测量结果

  均是界面层裂强度和薄膜断裂能的综合结果。从对应的激光入射能量大小看，薄膜剥落的是

  未剥落的2-6倍，故测量结果严重偏大。此系测量原理缺陷造成。

3.薄膜表面一点干涉测量界面后自由表面应力波，无法得到入射应力波幅值和波形，计算中只

  能采用拟合波形或估计波形，不然只能用激光入射能量临界值定性表征。而且，现有技术只

  能测定平面型界面。

4.层裂强度计算存在错误。现有技术首先应用低幅激光入射得到理想应力波波形，再将实测的

  自由表面应力史数据与该理想的完整的应力波波形拟合，其结果作为输入进行计算或数值模

  拟和有限元分析。该过程一方面失去了实测波形中的薄膜层裂信息，另一方面造成输入条件

  不确定问题，其计算结果同样存在较大偏差。

5.薄膜厚度受限只能是几微米甚至更薄。因为界面的剥离必须依赖经薄膜自由表面反射的拉伸