[发明专利]一种测试薄膜弯曲疲劳寿命的试验方法

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜材料疲劳性能测试领域，具体涉及一种测试薄膜弯曲疲劳寿命的试验方法。

背景技术

现代社会中，各种薄膜材料已在机械、电子、光化学、传感器、生物医学工程等领域得到了广泛的应用。在某些领域的应用过程中薄膜材料会受到周期性载荷的作用而产生疲劳行为。例如为提高金属血管支架的生物相容性，可在其表面沉积具有抗凝效果的无机薄膜TiO₂、DLC或者一些有机药物涂层进行表面改性，但是血管支架植入人体后，随着血压周期性的变化，血管支架也会周期性的扩张和收缩，从而对其表面的薄膜产生拉伸、压缩的交变载荷作用。为评判这种血管支架的使用寿命及服役时的可靠性，亟待建立评估薄膜弯曲疲劳特性的方法。由于这些薄膜通常在纳米或微米的数量级，无法用传统的设备和方法对其疲劳特性进行测试。为研究这些薄膜的疲劳行为，国内外学者已开始提出一些新的测试方法和测试手段。

中国专利“一种测试纳米厚度薄膜疲劳特性的试验方法”（专利文献号CN101251456B）中利用压痕设备对纳米薄膜进行疲劳实验，通过分析接触刚度连续急剧下滑时的循环次数来确定薄膜疲劳寿命，然而这种方法只能测试薄膜受到的冲击疲劳行为，不适用于薄膜材料弯曲疲劳行为的研究。中国专利“薄膜材料动态弯曲疲劳性能测试系统及测试方法”（专利文献号CN101571467B）中利用通电线圈在恒定磁场中所受的电磁力驱动悬臂梁试样的自由端相对其平衡位置做往复振动从而对各种材料的试样施加疲劳载荷作用，然而该技术没有给出定量确定试样受到载荷大小的方法，因此也就无法得到描述薄膜材料疲劳行为的S-N曲线。中国专利“柔性基板上金属薄膜疲劳寿命测试方法”（专利文献号CN101226163A）通过记录电阻的变化来判断金属薄膜是否失效，但是这种方法不适用绝缘薄膜。

此外现有的薄膜材料疲劳性能测试方法中，每次实验只能测试一种应力幅下的疲劳行为，如果要得到S-N曲线，需要花费大量的时间和成本。因此寻求一种适用性广、快速方便获得薄膜弯曲疲劳寿命的方法具有非常重要的应用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种适用性广、操作简单、能够快速方便获得薄膜弯曲疲劳寿命的测试薄膜弯曲疲劳寿命的试验方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：该测试薄膜弯曲疲劳寿命的试验方法，包括以下步骤：

A、选取金属细长梁作为基体并在基体表面的不同位置沉积多个待检测的薄膜作为试样件；

B、利用悬臂梁振动设备使得试样件做悬臂梁弯曲振动，振动频率为f，振动时间为t₀，以试样件的自由端为坐标原点建立直角坐标系，并且在试样件振动的过程中通过高速摄像系统记录试样件从自由端到固定端每隔△x位置时的振幅y；

C、对获得的数据△x和y进行函数拟合，得到试样件的振幅分布函数y(x)，x＝ｋ△x，其中ｋ为自然常数；然后对振幅分布函数y(x)再进行一阶微分y(x)′和二阶微分y(x)′′的数据处理，并将结果代入公式得到试样件做悬臂梁弯曲振动时从自由端到固定端的应力幅分布，公式中E表示基体的弹性模量，h表示试样件的厚度；

D、根据计算出的应力幅分布和每个薄膜中心所在的位置确定该处薄膜所受到的平均应力幅值Ｓ；

E、观察基体表面沉积的薄膜否有开裂或剥落，如果薄膜没有开裂或剥落，则重复B步骤和E步骤，当重复E步骤操作N次时，发现某处薄膜有开裂或剥落，则认为该处薄膜已经失效，该处薄膜的疲劳寿命次数定义为(N-1)×t₀×f，若其它位置处的薄膜还没有开裂或剥落，则继续重复B步骤和E步骤，直到基体表面沉积的所有薄膜都失效；

G、根据D步骤和E步骤作所得结果绘制薄膜S-N曲线。

进一步的是，所述悬臂梁振动设备的激振位置位于试样件的固定端。

进一步的是，在步骤E中，采用光学显微镜观察基体表面沉积的薄膜否有开裂或剥落。

进一步的是，所述基体采用不锈钢、钴基合金或者钛合金制作而成。

进一步的是，所述基体的长度l为50～200mm，宽度b为5～10mm，厚度h为0.5～1mm。

进一步的是，所述薄膜的面积小于b×bmm²，其中b为基体的宽度，薄膜的厚度ｗ为5～5000nm。

进一步的是，在步骤B中，所述试样件的振动频率f为1～100Hz，每次振动时间t₀为5～60min。

进一步的是，在步骤C中，所述△x的取值为1～3mm。