[发明专利]一种新型表面能测试方法和系统

说明书

本发明涉及一种新型表面能测试方法和系统，所述测试方法包括：S11：在被测结构和形变材料之间放置若干个具有一定厚度的垫块；S12：对形变材料施加电、磁、热或光信号，以使所述形变材料发生形变，出现裂纹扩展；S13：采集裂纹图像；S14：对采集到的裂纹图像进行处理，确定出裂纹尺寸；S15：根据裂纹尺寸和断裂力学模型计算出被测结构的表面能。本发明所述的测试方法即使被测表面是非平面，界面间仍能发生良好的粘接现象，且通过合理的放置垫块，加载电压可出现裂纹扩展；可精确地记录加载过程对应的电压值，避免了繁琐的对脱粘过程和剥离力的记录；成功规避了表面粗糙度等因素对现有测试方式的限制，测试准确度高，操作便捷。

技术领域

本发明涉及界面能量测量技术领域，具体涉及一种新型表面能测试方法和系统。

背景技术

所谓界面，通常情况是指固-液界面，固-气界面以及气-液界面。当然，复合材料界面、表面镀层等也可以被认为是固-固界面。其中，固-气界面也被称为固体表面。对这些界面(表面)情况的理解一直是科学界的研究对象之一。由此所产生的成果也深深地影响着我们的日常生活。如固-固界面研究在焊接、太空防护、复合材料强度等领域具有极为重要的地位。

在微观领域，范德华(Van der Waals)首次于1873年提出，在中性原子间普遍存在着一种吸引作用，即范德华作用。范德华作用是一种典型的短程力作用，例如，将两块平滑的金属(云母或者高分子材料也有类似现象)板相互靠近，当间距缩短到1-10纳米时，两块板会自发地“粘”在一起而不再分开，这就是范德华作用的结果。随着研究地深入，学者们发现这种“粘性”作用的形成机理涉及到化学、物理、流变学、应力分析和断裂力学等多学科交叉作用，几乎无法用简单机理描述这种原子(或分子)间作用。在实际中，学者们更关注于这种“粘性”作用在表面扩散、化学和热力学特性等方面的影响，对这种界面(表面)作用的测试和分析显得尤为重要。

目前常用的固体表面能测试方法主要包括：针对晶体结构的接触角法；针对非晶体结构的吸附测量法，利用固体对已知特性气体(如甲烷等)的吸附作用，计算固体表面能；基于断裂力学原理的劈裂功测试法等。其中，应用最广的是接触角法，如图1所示，此测量方法要求待测固体表面的粗糙度须在纳米或纳米以下尺度，且要求表面化学均一性较高，同时要求液体表面能应当大于待测固体表面能。可以看出此类方法适用于测量纳米尺度材料且对样品和测试方法具有较为严苛的要求。

如图2所示，鼓包法因样品制备和数据分析的简洁成为工业界和学术界很受欢迎的方法。然而，在进行测试时，薄膜与基体之间需要粘合，粘合剂需要具备一定的机械强度以避免实验中粘合剂本身的失效。如果机械强度过大，加载造成的结果会是膜本身的损伤，而不是界面脱粘，这就会导致界面强度测试的不准确。并且，聚合物薄膜相对比较脆弱，在较大外力作用下很容易产生塑性变形，这也使的此方法存在瑕疵。

现有技术中的剥离法是将软材料条带平铺在测试平台上，有时为了测试需要，还需要在测试条带和平台间添加粘接层或者利用等离子法处理被测条带表面，增加表面官能团。将测试条带的一段夹持在拉伸机上，使用准静态加载条件将条带拉起，直至条带和测试平台完全剥离。这类测试的主要问题是很难剔除塑性变形对分离刚度的影响。虽然有学者提出减缓加载速率可以去除塑性变形的影响，但是这一观点并未得到学术界的广泛承认。需要注意的是，剥离法测试软材料界面能时，需要材料内聚能大于粘性能，因此，对于分子较小的聚合物，一般不适用这种测试方法。其他微观测试方法也存在类似的问题，此处就不再一一赘述。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种新型表面能测试方法和系统。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：一种新型表面能测试方法，包括：

S11：在被测结构和形变材料之间放置若干个具有一定厚度的垫块；

S12：对形变材料施加电信号、磁信号、热信号或光信号，以使所述形变材料发生形变，出现裂纹扩展；

S13：采集裂纹图像；