[发明专利]一种涂层剪切强度测试装置

说明书

本发明涉及光机电一体化的精密科学仪器领域，特别设计一种涂层界面剪切强度测试方法和装置。可用于硬质涂层、封严涂层、热障涂层等厚度在50um之上的涂层。装置包括载荷加载组件、样品夹具组件、试样台组件和支座；所述载荷加载组件包括伺服电机、减速器、丝杠、导轨和压头组成，该伺服电机、减速器、导轨固定在支座上，伺服电机与减速器水平连接，减速器与丝杠水平连接，丝杠通过两个自带支撑置于导轨上，压头固定在丝杠上。本发明具有可施加大载荷的能力，可对较大尺寸、较大剪切强度的试样进行测试，可以避免小尺寸试样引入的尺寸效应和较大剪切强度难以界面分离的问题。本测试装置检测的涂层界面结合面积不小于100mm²、可测试的剪切强度不小于100MPa。

技术领域

本发明涉及光机电一体化的精密科学仪器领域，特别设计一种涂层界面剪切强度测试方法和装置。可用于硬质涂层、封严涂层、热障涂层等厚度在50um之上的涂层。

背景技术

涂层与基体的界面力学性能是表征涂层使用性能的关键评价对象，界面力学性能包括界面结合强度和截面剪切强度，其中界面结合强度是指抵抗涂层与基体法向分离的能力，界面剪切强度是抵抗涂层与基体切向滑移分开的能力。涂层界面力学性能优劣直接影响涂层承载能力，是涂层性能评价的重要对象。

对于涂层界面剪切强度，国外均有标准形成了检测方法，主要有2种检测方法，第一种为压入法，试验加载装置为万能试验机或相同功能设备，通过借助特定的圆柱形夹具辅才能开展实验，规定的可检涂层厚度为0.8mm～1.1mm，无法实施对涂层厚度或结构尺寸较大的产品涂层的结合性能进行检测；另一种粘接剂将涂层粘结在对偶件上，在置于万能试验机或相同功能设备然后进行拉伸试验，通过涂层发生剪切破坏测定剪切强度。

沈肖镇研究说明使用E-7胶作为粘接剂时对涂层的影响深度达到0.13mm，研究介绍当涂层厚度大于0.15mm时不受粘结剂影响，而且涂层厚度对涂层界面力学性能存在影响，涂层约厚，涂层结合性能越差；因此对于测试涂层剪切强度的第二种方法而言也存在明显劣势，即在涂层厚度小于0.15mm不适宜用第二种方法进行测试。

非涂层类材料剪切强度测试标准多采用三点弯曲方法进行试验或采用压入法使用特殊几何形状试样进行试验，但是这些方法均适用于整体较均匀的材料或复合材料，不适合涂层材料的测试。

温州大学的廖宁波等人申请了“一种硅碳基陶瓷涂层界面力学特性的跨尺度分析方法”(申请号为CN106202747A)通过基于不同的势函数表征基体内部、涂层内部和基体与涂层之间的原子相互作用，使用大规模MD模拟计算裂纹附近的应力和位移参数，获得涂层和基体各自的界面TSL函数。但是该方法主要用于涂层结构的初始理论设计，不是用于涂层界面力学性能的评价。

江苏大学的朱建国等人申请了“一种热障涂层界面结合强度的测量方法”(申请号为CN107345898A)使用微型加载机开展三点弯曲试验获取应力应变数据，结合数字图像相关法表征裂纹状态，通过揉度法计算能量释放率，是通过界面裂纹能量释放率来评价截面结合强度。但是界面裂纹能量释放率是一种间接手段表征涂层界面结合性能，是对结合强度和剪切强度的间接综合表征，不能单独给出剪切强度的具体值，而且对所需的辅助检测设备和理论分析能力要求较高，且可靠性需要进一步评估验证，工程可应用能力较低。

深圳高品检测设备有限公司的陈光明等人申请了“一种涂层力学性能试验装置”(申请号为CN2783316Y)，装置利用维氏硬度原理即对试样进行施加预载荷、主载荷、保持总载荷及卸载荷历程，实现机械压痕、扭转、拉伸、弯曲、双拉和剪切等力学性能，其中未明确说明剪切性能的测试方法，但结合设备结构图可知其试验设备仅包括四点弯曲装置和扭转装置，说明专利中设备是采用四点弯曲装置或者扭转装置进行的剪切性能测试，难以对界面剪切强度进行直接测量，另外专利中也介绍需要光学摄像仪和声发射动态监测仪记录试验过程中的各种参数，说辅助试验设备也比较负载，且给出的结果仅为试验参数，要获得涂层界面力学性能尤其是界面剪切强度更需要扎实的理论知识基础，不适用于涂层界面性能的快速评价。