专利名称：：测试涂层/薄膜-基体界面结合强度的弹丸冲击法的制作方法
技术领域：
：本发明涉及涂层/薄膜
技术领域：
，特别涉及一种测量涂层/薄膜_基体界面结合强度的弹丸冲击法。
背景技术：
：涂层/薄膜技术的首要问题通常存在于涂层/薄膜与基体的结合，而涂层/薄膜_基体界面实际结合强度的实验室表征，就是通过设计加载方式剥离涂层/薄膜，并建立涂层/薄膜剥离行为与载荷的关系。由于涂层/薄膜基体体系的跨尺度结构特征，如何在涂层/薄膜-基体界面上有效的施加载荷来剥离涂层/薄膜一直是试验设计的难点和热点。总体来看，早期比较常见的加载方式都是准静态的，且可以大致纳入三大类，第一类是^f吏涂层/薄膜发生局部变形从而将载荷传递到涂层/薄膜_基体界面的方法，如划痕法(辅以声发射、切向力、振动针等甄别手段)、压痕法和刮剥法；第二类是使基体发生变形从而将载荷转移到涂层/薄膜-基体界面的方法，如弯曲法、基片拉伸法、侧面压入法；第三类是使用粘结剂的测量方法，通过粘结剂在涂层/薄膜侧拓展出可以方便的施加拉、扭载荷的辅助结构。这些传统的测试方法在很大程度上满足了一些工程实际需要，但是它们存在的不足和局限性也是众所周知的前两类方法存在变形高度局部化、大变形使得力学模型难以清晰，从而涂层/薄膜剥离与载荷的定性关系难以获得，并且涂层/薄膜-基体界面上同时承受切向力和法向力，无法分离出涂层/薄膜-基体界面剪切破坏强度和拉伸破坏强度；而第三类方法虽然能制造出较低混合度的涂层/薄膜-基体界面载荷模式，也给出比较简单的模型描述，却由于受限于粘结剂本身的强度而只能测试出较弱的涂层/薄膜-基体界面结合强度。同时，以上方法无法测试动态(较高应变率)涂层/薄膜-基体界面结合性能。针对这些问题，Vossen等提出了所谓的激光层裂法。激光层裂法的最初思想是以短脉沖激光沖击平板试样的基体表面，基体表层材料的爆炸性气化产生高强度的压缩应力波，该压缩波沿试样向涂层/薄膜侧传播，在涂层/薄膜-基体界面处将发生反射和透射，透射压缩波在涂层/薄膜自由表面发生反射形成拉伸波，此拉伸波与入射波在涂层/薄膜-基体界面处叠加产生拉伸应力而使得涂层/薄膜沿涂层/薄膜-基体界面开裂。WangJunlan等用三棱柱状试样代替平板试样来实现涂层/薄膜-基体界面的剪切、拉伸混合加载剥离，使该方法的内涵进一步得到扩充。然而，就象上述研究者都提到的那样，由于激光层裂法使用激光将基体材料高速气化，这一过程包含了复杂的热-物理-力学过程，因此全过程的模型化研究相当困难，应力作用历史难以清晰描述。此后，侯振德等提出利用Hopkinson压杆装置原理，以金属杆沖击试样基体侧，在涂层/薄膜-基体界面处制造拉伸应力来评估涂层/薄膜-基体界面结合强度。这种方法对于结合相对较弱的厚涂层/薄膜来说，具有原理清晰、模型相对简单及可操作性强的优点。但是该方法所能提供的载荷水平较低,对于强结合涂层/薄膜-基体界面结合性能无法评估(从这个角度来讲，粘结剂法甚至能达到更高的应力水平)；同时该方法需要将基体制成细长杆，然后在杆端涂敷涂层/薄膜，这种试样制作要求过高；并且该方法只适用于较厚的涂层。
发明内容针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种原理简单、模型清晰，能够测试强结合的涂层/薄膜-基体界面结合性能，能够测试涂层/薄膜-基体界面动态性能，可操作性强的方法。为实现上述目的，本发明提供一种测试涂层/薄膜-基体界面结合强度的弹丸冲击法，该方法具体步骤如下1)制备涂有待测涂层的平板试样；2)制备涂有涂层的弹丸，弹丸基体由声阻抗较低的材料制成；3)用发射装置发射弹丸，使弹丸以覆有涂层一端垂直沖击试样上的基体表面；4)测量弹丸与试样接触时的初速度，并通过已有的数值计算和理论分析方法，求得试样涂层/薄膜-基体界面应力历史；5)测量试样上的涂层/薄膜-基体界面剥离特征尺寸，建立涂层/薄膜-基体界面应力历史与涂层/薄膜-基体界面剥离特征尺寸的关系，以评价涂层/薄膜_基体界面结合性能。进一步，所述步骤5)中的涂层/薄膜-基体界面剥离特征尺寸具体为剥离区域的半径。进一步，所述弹丸为圓柱形，涂层位于圓柱形的前端面。进一步，所述弹丸基体的材质为塑料。进一步，所述发射装置为气枪、弹道枪或气体炮。本发明通过采用带有涂层的弹丸冲击带有涂层的平板试样的基体表面，建立起涂层/薄膜_基体界面应力历史与涂层/薄膜-基体界面剥离特征尺寸的关系，来评价涂层/薄膜-基体的界面结合性能，既能够测试强结合的涂层/薄膜-基体界面结合性能，也能够测试涂层/薄膜-基体界面动态性能，具有原理简单、模型清晰、可操作性强等优点。下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明图1是本发明提出的测试涂层/薄膜-基体界面结合强度的弹丸冲击法立体图；图2是本发明提出的测试涂层/薄膜-基体界面结合强度的弹丸冲击法主视图；图3是本发明提出的测试涂层/薄膜-基体界面结合强度的弹丸冲击法基体表面与试样涂层/薄膜-基体界面法向应力变化图。具体实施方式实施例1:参见图l和图2,本发明人提出的基于层裂效应的弹丸沖击法，基本原理是以声阻抗较低的材料(如塑料)作为圆柱弹丸1，由圆柱形的弹丸基体11和镀覆在弹丸基体11前端面上的弹丸涂层12组成，弹丸涂层12的声阻抗与试样基体21接近。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>试样涂层22内的声速试样2固定在支架上，用弹丸发射装置，如气^T、弹道枪或气体炮发射弹丸1,使弹丸1沿垂直试样方向以一定的速度V。冲击平面试样2基体21表面，并产生压缩应力波，该应力波从基体上的被冲击部位传播到涂层/薄膜外侧自由面221时发生反射,反射波与入射波叠加在涂层/薄膜-基体界面23处形成拉伸应力波，从而使涂层/薄膜剥落。根据应力波理论，在基体侧产生应力扰动水平为a,.的压缩应力波向试样内部及涂层/薄膜侧传播时，将在涂层/薄膜、基体、涂层/薄膜-基体界面处发生反射和透射；而透射波传播到涂层/薄膜自由表面时又将发生反射形成拉伸波。涂层/薄膜-基体界面处产生的反射波为单纯的膨胀波且有透射波为膨胀波",，且有其中<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>分别称为反射系数和透射系数。这里^(/7。c丄/(yO。c丄，是基体(以脚标符号S表示)和涂层/薄膜(以角标符号c表示)的声阻抗之比。其中a表示材料的密度，c。表示在该材料中的声速。透射波C在涂层/薄膜自由表面产生的反射波。"有<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>在涂层/薄膜-基体界面处的应力水平a应为入射波a,.、反射波。;、透射波^和反射波C7"的叠加。通过控制弹丸涂层的厚度，可使拉应力首先出现在涂层/薄膜-基体界面附近区域内，从而可望将涂层-基体沿涂层/薄膜-基体界面剥离。如果沿用经典的最大拉应力准则，可认为当涂层/薄膜-基体界面处拉应力"达到或超过材料抗拉临界值""即当O时出现涂层/薄膜-基体沿涂层/薄膜-基体界面的分离。通过测量弹丸初速度(即弹丸冲击试样前瞬间的速度)，可通过理论分析得到涂层/薄膜-基体界面应力历史，从而可建立起涂层/薄膜-基体界面应力历史与涂层/薄膜-基体界面剥离的关联，获得涂层/薄膜-基体界面结合性能指标。观察涂层/薄膜-基体界面破坏形貌，测量涂层/薄膜-基体界面剥离特征尺寸；建立涂层/薄膜-基体界面应力历史与涂层/薄膜-基体界面剥离特征尺寸的关系，评价涂层/薄膜-基体界面结合性能。例如，弹丸长度/=5mm，半径r=2.5mm,试样基体厚度^=lmm，试样半径rs=10mm和弹丸涂层厚度^与试样涂层厚度G相同且均为0.lmm，测得弹丸初速度V。=250m/s。材料常数如表1所示表l材料常数<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>其中l-弹丸；2-弹丸涂层，试样基体；3-试样涂层；p-密度，E-弹性模量，u-泊松比。以有限元法计算可得，基体表面应力和涂层/薄膜-基体界面应力随时间变化如图3所示。其中纵坐标表示涂层/薄膜-基体界面法向应力，正值为拉应力，负值为压应力。可见涂层/薄膜-基体界面处在压缩应力脉沖之后(约0.25<敖秒时)，出现了拉应力，该拉伸应力将导致试样涂层/薄膜-基体界面萌生损伤、出现涂层/薄膜-基体界面剥离。这种制造压缩应力波的动态方法能有效测试涂层/薄膜-基体界面结合性能，该方法既可避免激光层裂法中激光冲击的复杂物理过程，又可克服Hopkinson压杆方法应力水平低及试样制备要求高的问题。权利要求1.一种测试涂层/薄膜-基体界面结合强度的弹丸冲击法，其特征在于，包括如下步骤1)制备涂有待测涂层的平板试样；2)制备涂有涂层的弹丸，弹丸基体由声阻抗较低的材料制成；3)用发射装置发射弹丸，使弹丸以覆有涂层一端垂直冲击试样上的基体表面；4)测量弹丸与试样接触时的初速度，并通过已有的数值计算和理论分析方法，求得试样涂层/薄膜-基体界面应力历史；5)测量试样上的涂层/薄膜-基体界面剥离特征尺寸，建立涂层/薄膜-基体界面应力历史与涂层/薄膜-基体界面剥离特征尺寸的关系，以评价涂层/薄膜-基体界面结合性能。2.根据权利要求1所述的测试涂层/薄膜-基体界面结合强度的弹丸冲击法，其特征在于，所述步骤5)中的涂层/薄膜-基体界面剥离特征尺寸具体为剥离区域的半径。3.根据权利要求1所述的测试涂层/薄膜_基体界面结合强度的弹丸沖击法，其特征在于，所述弹丸为圆柱形，涂层位于圓柱形的前端面。4.根据权利要求1所述的测试涂层/薄膜-基体界面结合强度的弹丸沖击法，其特征在于，所述弹丸基体的材质为塑料。5.根据权利要求1所述的测试涂层/薄膜-基体界面结合强度的弹丸冲击法，其特征在于，所述发射装置为气枪、弹道枪或气体炮。全文摘要本发明公开了一种测试涂层/薄膜-基体界面结合强度的弹丸冲击法，包括如下步骤制备涂有待测涂层的平板试样；制备有涂层的弹丸，弹丸基体由声阻抗较低的材料制成；用发射装置发射弹丸，使弹丸以覆有涂层部位垂直冲击试样上的基体表面；测量弹丸与试样接触时的初速度，并通过已知的数值计算和理论分析，求得试样涂层/薄膜-基体界面应力历史；测量试样上的涂层/薄膜-基体界面剥离特征尺寸，建立涂层/薄膜-基体界面应力历史与涂层/薄膜-基体界面剥离特征尺寸的关系，以评价涂层/薄膜-基体界面结合性能。本发明原理简单、模型清晰；能测试强结合涂层的涂层/薄膜-基体界面结合性能及涂层/薄膜-基体界面动态性能，可操作性强。文档编号G01N19/04GK101236152SQ200810101299公开日2008年8月6日申请日期2008年3月3日优先权日2008年3月3日发明者卢哲猛,吴臣武,廖孟豪,坤张,杨班权,罗耕星,陈光南申请人:中国科学院力学研究所