界面結合強度雷射衝擊定量測定方法及裝置的製作方法

2023-11-04 12:13:42 2

專利名稱：界面結合強度雷射衝擊定量測定方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及雷射技術和材料性能測試領域，特指一種界面結合強度的雷射衝擊定量測定方法及裝置，其適用薄膜或膠粘劑的附著力的測定、各種複合材料如層板型複合材料的平面界面、顆粒增強複合材料的球形界面以及纖維增強複合材料中圓柱型界面的拉伸強度的定量測定，以及其它類型的界面結合強度的測定。
界面只有在單純拉應力作用下直接剝離，測得的斷裂臨界值才能真正反映界面真實結合強度，而雷射層裂技術為此提供了可能。雷射層裂法定量測定平面型薄膜界面結合強度是由美國麻省理工學院的Gupta等人率先開展，並在Dartmouth College申請專利System and method for measuring theinterface tensile strength of planar interfaces，批准號為US5438402。其原理是應用短脈衝雷射(脈寬一般為2ns-8ns)衝擊試樣，依靠從自由表面反射形成的拉伸波與入射壓縮應力波在界面處相遇時受拉產生層裂，但幾乎所有研究都是定性的。他們應用都卜勒幹涉儀在試樣背側採用一點幹涉對心接受到達自由表面上的應力波(記錄的為速度波形)，再據此採用擬合的方法得到估計的雷射衝擊產生的入射應力波波形，將其作為已知條件結合輸入有限元計算得到界面層裂強度。國外的其它學者如瑞士的Sigrit(Optical Engineering.1995，34(7)1916-1922)、法國的Sartori(Surface and CoatingsTechnology.1998，106251-261)等，國內的個別學者(材料研究學報，1996，10(4)，393～396)都仿照Gupta工作進行了研究，他們都得到不同基體和薄膜體系的薄膜層裂的臨界雷射衝擊入射能量閥值，但是沒有計算界面結合強度，主要原因是由於雷射與材料耦合產生高幅應力波的過程複雜，以雷射衝擊參數和材料物性參數為輸入條件，目前無法建立相對正確、又統一的應力波計算模型。
所以現有的雷射層裂技術，它在測量原理和力學計算上仍然存在一些根本性的錯誤和無法解決的問題1.包辛格效應無法避免(材料研究學報，1996，10(4)，393～396)。平板型試樣導致薄膜層裂過程中總是先承受壓應力再承受拉應力，因為它只能依靠入射壓縮應力波在後自由表面反射形成拉伸應力波，其與入射壓縮應力波在界面處疊加，產生剝離，無法形成單純拉伸應力區。
因此包辛格效應對測定結果的影響無法排除，導致測量值偏大。
2.測量結果不直接反映界面結合強度。在層裂判別問題上，目前必須通過顯微鏡，僅能觀察到薄膜既開裂又剝落的情況，對於薄膜脫粘和裂紋擴展的情況無法檢測。因此現有的測量結果均是界面層裂強度和薄膜斷裂能的綜合結果。從對應的雷射入射能量大小看，薄膜剝落的是未剝落的2-6倍，故測量結果嚴重偏大。此系測量原理缺陷造成。
3.薄膜表面一點幹涉測量界面後自由表面應力波，無法得到入射應力波幅值和波形，計算中只能採用擬合波形或估計波形，不然只能用雷射入射能量臨界值定性表徵。而且，現有技術只能測定平面型界面。
4.層裂強度計算存在錯誤。現有技術首先應用低幅雷射入射得到理想應力波波形，再將實測的自由表面應力史數據與該理想的完整的應力波波形擬合，其結果作為輸入進行計算或數值模擬和有限元分析。該過程一方面失去了實測波形中的薄膜層裂信息，另一方面造成輸入條件不確定問題，其計算結果同樣存在較大偏差。
5.薄膜厚度受限只能是幾微米甚至更薄。因為界面的剝離必須依賴經薄膜自由表面反射的拉伸應力波，同時這種層裂機制對薄膜的厚度也帶來限制，一般僅能檢測很薄的幾個微米的薄膜。
6.不符合實際應用，因為在試驗中，必須採用一系列不同功率的雷射束衝擊一系列同一種試樣，來摸索薄膜層裂的臨界雷射入射能量閥值，再估算層裂強度。由於不同試樣的薄膜結合強度的波動性，以及雷射與材料耦合的複雜性，加之層裂判別的手段匱乏，造成這一工作只能局限於定性的實驗室研究。
本發明是按下述技術方案實現的將雷射器發出的雷射束通過外光路系統衝擊試樣體系表面，其特徵在於雷射束衝擊等邊直角三稜柱或其變形體的試樣後，形成高幅壓縮應力波，經試樣斜面反射後轉換成拉伸應力波，再作用界面，產生界面單純拉伸剝離，同時應力波信號由示波器傳輸到計算機處理終端進行分析處理。
幹涉測量光束經分光鏡分成兩路分別作用在試樣的斜面和直角面上實現兩點幹涉。採用觸發開關控制雙通道示波器的開啟。
實現該方法的裝置，包括雷射器、外光路系統、工裝夾具系統、試樣體系、幹涉儀、示波器、控制系統、計算機處理終端，其特徵在於試樣體系為等邊直角三稜柱或其變形體。試樣體系表面貼設由透明約束層和能量吸收層組成的一體式柔性貼膜，示波器為雙通道示波器，工裝夾具系統由安裝試樣體系的下夾板和帶直角凹槽的壓緊螺杆組成。
其工作過程按下述步驟進行(1)由雷射器發出的雷射束通過外光路系統垂直衝擊安裝在夾具中的呈等邊直角三稜柱或其變形體的待測試樣的一個直角表面，粘貼該面上的柔性貼膜受到雷射誘導的衝擊波作用產生向試樣內部傳播的高幅壓縮應力波；(2)高幅壓縮應力波首先沿入射直角面法向向三稜柱試樣斜面傳播，當壓縮應力波傳播到試樣斜面時，經反射轉變成拉伸應力波，並垂直於應力波入射方向向試樣的另一直角面垂直傳播，並在該直角面上同時到達，由於衝擊面中各點應力波傳播的路程相同，衝擊波的衰減合乎相結構變化均保持一致，此後以平面波形式繼續傳播。
(3)轉換的拉伸應力波首先垂直作用在待測界面上，導致界面在單純拉伸應力作用下直接剝離，處於臨界狀態時的界面層裂應力即為界面拉伸強度，也即界面結合強度。
(4)在雷射器發出雷射束的同時，觸發開關同時或定量延時開啟高頻雙通道示波器(500M或1G以上)，且在斜面和待測直角面下的自由表面，幹涉儀以雙點幹涉在線實時接受的界面拉伸剝離前後的斜面和底面上的質點位移史或速度史(如果採用位移幹涉儀，將記錄信號微分得到速度史，再根據應力波理論計算轉換成應力史)，傳輸到雙通道示波器，得到界面剝離前後應力波信號。
(5)將記錄得到的界面剝離前後應力波信號，作為數值解析和有限元分析模擬過程中的輸入條件。同時作為比較，可以利用界面剝離後應力波波形攜帶的層裂信息，利用時-頻分析和波形分析，可以準確確定層裂時刻、層裂深度、層裂面大小，判定薄膜層裂所處階段(薄膜脫粘、裂紋擴展、薄膜剝落)，取臨界狀態的界面拉伸剝離應力即為界面拉伸強度，因此實現單次衝擊、一次測定。
試樣體系由工件表面貼設構成一體式的透明約束層和能量吸收層的柔性貼膜。雷射器內的調製器產生的雷射束的脈衝寬度為1ns-10ns，波長1064納米、532納米或更小。調節雷射脈寬、能量、光束直徑等參數來調整產生的應力波的大小。
本發明提出薄膜和複合材料的界面結合強度的實驗定量測試方法，對於平面型界面，在拉伸應力波作用下，臨界剝離的拉伸應力即為界面結合強度。對於顆粒增強複合材料和纖維增強複合材料，在層裂面上，球形界面、圓柱形界面以及其它形狀的界面按特定分布規律周期或非周期地分布在層裂面上。根據其分布特徵，應用數學解析、有限差分或有限元的方法，將層裂面上的層裂應力分解到各個待測界面上，從而得到待測界面的結合強度。
本發明具有如下技術優勢(1)徹底消除了傳統測試方法中無法避免的包辛格效應。應用本裝置可利用試樣斜面上應力波形的轉換，在待測直角面乃至整個下部區域形成單純拉伸應力區，在此區域內設計待測界面，界面將產生單純拉伸剝離，實現了界面受力狀態由先受壓應力再受拉應力轉換成為先受拉應力。從而從根本上消除了包辛格效應，原理更科學，結果更準確。
(2)以兩點幹涉(斜面和直角面)的方法接受界面前後作用的應力波信號，並將其作為已知條件，這解決了數值模擬和有限元分析中雷射衝擊產生的應力波無法定量確定的難題。
(3)實現單次衝擊一次測定界面結合強度，無須擬合計算入射應力波。同時可以利用層裂後應力波波形攜帶的層裂信息，利用時-頻分析和波形分析，可以準確確定層裂時刻、層裂深度、層裂面大小，判定薄膜層裂所處階段(薄膜脫粘、裂紋擴展、薄膜剝落)，實現單次衝擊一次測定薄膜結合強度。
(4)薄膜和塗層無厚度限制。由於界面又是首先承受拉伸應力，而且應力波的上升沿很小，約1-5納秒，故對薄膜的厚度也沒有任何要求，理論上可以檢測無窮厚。
(5)除可測定平面型界面結合強度以外，還可測定顆粒增強或纖維增強複合材料中的非連續、非規則排列的界面結合強度。
(6)在工件表面採用柔性貼膜，其具有能量吸收層及約束層的雙重功能。這種雙層柔性貼膜覆蓋待處理直角表面，不僅提高了雷射能量利用率，而且使雷射衝擊便捷、高效、低成本。
本發明提出的裝置由雷射器1、外光路系統、工裝夾具系統、試樣體系9、幹涉儀13、示波器15、控制系統、計算機數據處理終端14組成。外光路系統包括由分光鏡2、含衰減器的導光和分光系統3、聚焦鏡4組成的入射脈衝雷射束光路系統及由分光鏡11、反射鏡8、10組成的幹涉光束光路系統，工裝夾具系統由安裝試樣體系9的上夾板28、下夾板30和帶直角凹槽的壓緊螺杆29組成，控制系統包括光電二極體觸發開關16。試樣體系9呈三稜柱形式，其一直角表面貼設由透明約束層6和能量吸收層7組成的一體式的柔性貼膜，並經由分光鏡2經脈衝雷射束5依次與導光和分光系統3及聚焦鏡4相連構成的入射脈衝雷射束光路系統與雷射器1相連，位移幹涉儀13發出的幹涉測量光束12經分光鏡11分別與反射鏡8、10相連並分成二路，分別作用在試樣體系9的斜面和另一直角面上，實現位移幹涉儀13與試樣體系9的連接。雙通道示波器15一端與位移幹涉儀13相連，接收應力波信號，其另一端與計算機數據處理終端14相連，將應力波信號傳輸出去，光電二極體觸發開關16一端經光路與分光鏡2相連接受雷射束信號，另一端與雙通道示波器15相連控制其開啟。
本發明的方法為雷射器1發出的入射雷射束5經聚焦後直接輻射試樣體系9的柔性貼膜能量吸收層7，其瞬時汽化並形成高溫等離子體，它們膨脹受柔性貼膜中透明約束層6的限制，這樣，等離子體劇烈升溫進而劇烈爆炸，產生向試樣體系9內部傳播的入射壓縮應力波23。此時衝擊波沿等邊直角三稜柱試樣中特定的路徑傳播，當它傳播到試樣斜面18時，經反射轉變成拉伸應力波22，並垂直於衝擊波入射方向向試樣的另一直角面傳播，並同時到達該直角面。這樣轉換後的拉伸應力波首先作用在待測界面20上，界面在拉伸應力作用下直接剝離。在雷射器1發出脈衝雷射束5的同時，光電二極體觸發開關16同時或定量延時開啟示波器15，位移幹涉儀13在線實時接受記錄界面層裂前後的應力波。計算機處理終端14計算得到界面層裂應力史，取臨界界面剝離值，即為界面拉伸強度。
圖2是試樣體系示意圖。由透明約束層6和能量吸收層7組成的一體化柔性貼膜緊緊附在試樣基體17的一個直角面上，在試樣基體17的另一個直角面上設計平行與該直角面的待測界面20。
圖3是另一試樣體系實施例的示意圖，其在等邊直角三稜柱下方延長，增加一個矩形區域稱之為虛三稜柱，薄膜或塗層21的幹涉信號接受底面19處於該區域下方，該區域即為單純拉伸應力區。
圖4是複合材料試樣體系示意圖。試樣體系形狀不變，只是在試樣體系9中不存在平面界面，層裂面25由實驗後決定，根據經斜面反射後的拉伸應力波在經過下方的直角邊以後已經轉變成平面拉伸應力波，因此層裂面25仍然平行於虛三稜柱直角面24。
圖5是複合材料的界面結合強度的實驗定量分解示意圖，對於顆粒增強複合材料和纖維增強複合材料，在層裂面25上，圓柱形增強纖維26的界面以及其它形狀的界面按特定分布規律周期或非周期地分布在層裂面上。根據其分布特徵，應用數學解析、有限差分或有限元的方法，將層裂面上的層裂應力27分解到各個待測界面上，從而得到待測界面的結合強度。
圖6是工裝夾具示意圖。試樣體系9安裝在下夾板30上，上部被帶直角凹槽壓緊螺杆29經上夾板28頂緊。底部和右側面用於檢測幹涉測量光束12入射，左側面用於脈衝雷射束5入射。
不同的試樣體系形式的變化都可能實現不同的測量，這裡僅闡明它的技術方案和部分實施例。
權利要求
1.一種界面結合強度雷射衝擊定量測定方法，其將雷射器發出的雷射束通過外光路系統衝擊試樣體系表面，其特徵在於雷射束衝擊等邊直角三稜柱或其變形體的試樣後，形成壓縮應力波，經試樣斜面反射後轉換成拉伸應力波，再作用界面，產生界面單純拉伸剝離，同時應力波信號由示波器傳輸到計算機處理終端進行分析處理。
2.根據權利要求1所述的界面結合強度雷射衝擊定量測定方法，其特徵在於將幹涉測量光束經分光鏡分成兩路分別作用在試樣的斜面和直角面上實現兩點幹涉。
3.根據權利要求1所提出的界面結合強度雷射衝擊定量測定方法，其特徵在於採用觸發開關控制雙通道示波器的開啟。
4.實現權利要求1所述的界面結合強度雷射衝擊定量測定方法的裝置，其包括雷射器(1)、外光路系統、工裝夾具系統、試樣體系(9)、幹涉儀(13)、示波器(15)、控制系統、計算機數據處理終端(14)，其特徵在於試樣體系(9)為等邊直角三稜柱或其變形體。
5.根據權利要求4所述的界面結合強度雷射衝擊定量測定方法的裝置，其特徵在於試樣體系(9)表面貼設由透明約束層(6)和能量吸收層(7)組成的一體式柔性貼膜。
6.根據權利要求4所述的界面結合強度雷射衝擊定量測定方法的裝置，其特徵在於示波器為雙通道示波器(15)。
7.根據權利要求4所述的界面結合強度雷射衝擊定量測定方法的裝置，其特徵在於工裝夾具系統由安裝試樣體系的下夾板(30)和上夾板(28)及帶直角凹槽的壓緊螺杆(29)組成。
全文摘要
本發明涉及雷射技術和材料性能測試領域,特指一種界面結合強度的雷射衝擊定量測定方法及裝置,適用薄膜或膠粘劑的附著力的測定、各種複合材料界面結合強度的測定。其將雷射器發出的雷射束通過外光路系統衝擊等邊直角三稜柱或其變形體的試樣體系表面後,形成高幅壓縮應力波,經試樣斜面反射後轉換成拉伸應力波,再作用界面,產生界面單純拉伸剝離,而幹涉測量光束經分光鏡分成兩路分別作用在試樣的斜面和直角面上實現兩點幹涉,同時採用觸發開關控制雙通道示波器的開啟,應力波信號由示波器傳輸到計算機處理終端進行分析處理。應用本裝置可利用試樣斜面上應力波形的轉換,在待測直角面乃至整個下部區域形成單純拉伸應力區。
文檔編號G01N3/30GK1360204SQ0113732
公開日2002年7月24日 申請日期2001年11月30日 優先權日2001年11月30日
發明者周明, 張永康, 蔡蘭 申請人:江蘇大學