[发明专利]一种涂层结合力双杠杆测量装置及其测量方法

说明书

本发明公开了一种涂层结合力双杠杆测量装置及其测量方法，包括托架、第一杠杆机构和第二杠杆机构；第一杠杆机构包括第一丝杆和横梁，横梁上连接有第一支座，第一丝杆的一侧设有起点标记和游码，第一丝杆另一侧设有第一拉杆；第二杠杆机构包括第二杠杆和第二拉杆，第二杠杆上竖向设有固定座，固定座的下端安装有探针，探针的下方设有水平移动机构。本发明通过双杠杆系统给探针提供线性增加的载荷，并通过探针划动直至涂层出现裂痕并露出基体，再观察涂层裂痕出现的位置，确定其对应的荷载即可测定界面结合力；同时结构简单，成本更低；测量时操作过程简单，利于一般人员的操作，并且展示效果明显。

技术领域

本发明涉及涂层结合力测量技术领域，具体为一种涂层结合力双杠杆测量装置及方法。

背景技术

涂层材料的服役寿命从很大程度上决定于涂层与基体的界面结合的是否良好，这需要对涂层与基体界面的力学性能进行定量表征，但由于涂层品种和制备技术的多样性，至今尚没有形成统一的表征参量和测试方法。为了测量涂层与基体的界面结合强度，常用的测量方法有拉伸、剪切、弯曲、划痕、压入和动态测试等方法。

拉伸法分两种，即“横向拉伸法”和“垂直拉伸法”。横向拉伸法就是只拉基体的方法，它利用了涂层本身的开裂特征来计算剪切强度，测定的参量比较多并且该方法仅适于测定脆性薄膜涂层。垂直拉伸法是用胶粘剂(如环氧树脂)将涂层表面粘接在能够方便施加载荷的物体上，然后在该物体的一侧施加拉伸载荷。这种方法的不足之处是如果出现了胶粘剂的粘接强度小于涂层与基体的界面拉伸强度，就会导致实验失败，不能用于界面结合力高的涂层测定。

剪切法是将圆柱形试件不带涂层部分置于固定的套筒中施加载荷，凸出的带涂层的部分将在套筒载荷的作用下被剪切掉。这种方法对于薄涂层会由于涂层难以被套筒剪切到而无法实施。另外样品必须制备成半径接近于套筒的圆柱形，这对于实验室通常制备的片状试样显然不适用，而靠近涂层自由边界的界面处存在的应力集中也影响测定。

弯曲法采用悬臂梁模型测量涂层与基体材料的界面结合性能，并采用声发射技术来判断界面是否开裂。这种方法的不足之处是在加载时加载端的压头容易发生滑动，这样容易将此信号误认为界面开裂的声发射信号，该法必须事先估计载荷大小来确定试件的几何尺寸。另外这种方法只适合于较厚的涂层，而且对于较脆的涂层，可能会在固定时就脆裂而无法试验。

压入法按压头的位置分为：涂层表面压入法、侧面基体压入法和界面压入法。这种方法适合于弱结合界面，通过光学显微镜，声发射装置判断界面开裂。这种方法不足之处是在实验过程中需要结合有限元模型进行分析，这不仅使问题复杂化，而且结果存在很大误差。而界面压入法难以使压头的中心位置正好控制在界面上，实验难以进行。

划痕法是目前使用十分广泛的一种表征涂层与基体材料界面结合性能的方法。该法是将样品平面垂直于探针轴线移动，探针在法向载荷的作用下与样品接触，通过样品运动产生刻划，载荷线性递增，系统自动检测并记录实验过程中的载荷、深度、划动距离、摩擦力、摩擦系数、声发射信号等数据。在划痕试验中薄膜发生破裂或脱落时表现为划痕深度、摩擦力及声发射信号的突变，发生突变的这一状态点为临界点，对应的载荷为临界载荷，临界载荷可作为评价膜层与基体结合强度的重要量化指标，同样条件下临界载荷越大，表明膜基结合力越大，膜层抗划伤性能越好。