專利名稱：界面結(jié)合強(qiáng)度激光沖擊定量測(cè)定方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光技術(shù)和材料性能測(cè)試領(lǐng)域，特指一種界面結(jié)合強(qiáng)度的激光沖擊定量測(cè)定方法及裝置，其適用薄膜或膠粘劑的附著力的測(cè)定、各種復(fù)合材料如層板型復(fù)合材料的平面界面、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的球形界面以及纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中圓柱型界面的拉伸強(qiáng)度的定量測(cè)定，以及其它類型的界面結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)定。
界面只有在單純拉應(yīng)力作用下直接剝離，測(cè)得的斷裂臨界值才能真正反映界面真實(shí)結(jié)合強(qiáng)度，而激光層裂技術(shù)為此提供了可能。激光層裂法定量測(cè)定平面型薄膜界面結(jié)合強(qiáng)度是由美國(guó)麻省理工學(xué)院的Gupta等人率先開(kāi)展，并在Dartmouth College申請(qǐng)專利System and method for measuring theinterface tensile strength of planar interfaces，批準(zhǔn)號(hào)為US5438402。其原理是應(yīng)用短脈沖激光(脈寬一般為2ns-8ns)沖擊試樣，依靠從自由表面反射形成的拉伸波與入射壓縮應(yīng)力波在界面處相遇時(shí)受拉產(chǎn)生層裂，但幾乎所有研究都是定性的。他們應(yīng)用多普勒干涉儀在試樣背側(cè)采用一點(diǎn)干涉對(duì)心接受到達(dá)自由表面上的應(yīng)力波(記錄的為速度波形)，再據(jù)此采用擬合的方法得到估計(jì)的激光沖擊產(chǎn)生的入射應(yīng)力波波形，將其作為已知條件結(jié)合輸入有限元計(jì)算得到界面層裂強(qiáng)度。國(guó)外的其它學(xué)者如瑞士的Sigrit(Optical Engineering.1995，34(7)1916-1922)、法國(guó)的Sartori(Surface and CoatingsTechnology.1998，106251-261)等，國(guó)內(nèi)的個(gè)別學(xué)者(材料研究學(xué)報(bào)，1996，10(4)，393～396)都仿照Gupta工作進(jìn)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激光沖擊入射能量閥值，但是沒(méi)有計(jì)算界面結(jié)合強(qiáng)度，主要原因是由于激光與材料耦合產(chǎn)生高幅應(yīng)力波的過(guò)程復(fù)雜，以激光沖擊參數(shù)和材料物性參數(shù)為輸入條件，目前無(wú)法建立相對(duì)正確、又統(tǒng)一的應(yīng)力波計(jì)算模型。
所以現(xiàn)有的激光層裂技術(shù)，它在測(cè)量原理和力學(xué)計(jì)算上仍然存在一些根本性的錯(cuò)誤和無(wú)法解決的問(wèn)題1.包辛格效應(yīng)無(wú)法避免(材料研究學(xué)報(bào)，1996，10(4)，393～396)。平板型試樣導(dǎo)致薄膜層裂過(guò)程中總是先承受壓應(yīng)力再承受拉應(yīng)力，因?yàn)樗荒芤揽咳肷鋲嚎s應(yīng)力波在后自由表面反射形成拉伸應(yīng)力波，其與入射壓縮應(yīng)力波在界面處疊加，產(chǎn)生剝離，無(wú)法形成單純拉伸應(yīng)力區(qū)。
因此包辛格效應(yīng)對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響無(wú)法排除，導(dǎo)致測(cè)量值偏大。
2.測(cè)量結(jié)果不直接反映界面結(jié)合強(qiáng)度。在層裂判別問(wèn)題上，目前必須通過(guò)顯微鏡，僅能觀察到薄膜既開(kāi)裂又剝落的情況，對(duì)于薄膜脫粘和裂紋擴(kuò)展的情況無(wú)法檢測(cè)。因此現(xiàn)有的測(cè)量結(jié)果均是界面層裂強(qiáng)度和薄膜斷裂能的綜合結(jié)果。從對(duì)應(yīng)的激光入射能量大小看，薄膜剝落的是未剝落的2-6倍，故測(cè)量結(jié)果嚴(yán)重偏大。此系測(cè)量原理缺陷造成。
3.薄膜表面一點(diǎn)干涉測(cè)量界面后自由表面應(yīng)力波，無(wú)法得到入射應(yīng)力波幅值和波形，計(jì)算中只能采用擬合波形或估計(jì)波形，不然只能用激光入射能量臨界值定性表征。而且，現(xiàn)有技術(shù)只能測(cè)定平面型界面。
4.層裂強(qiáng)度計(jì)算存在錯(cuò)誤。現(xiàn)有技術(shù)首先應(yīng)用低幅激光入射得到理想應(yīng)力波波形，再將實(shí)測(cè)的自由表面應(yīng)力史數(shù)據(jù)與該理想的完整的應(yīng)力波波形擬合，其結(jié)果作為輸入進(jìn)行計(jì)算或數(shù)值模擬和有限元分析。該過(guò)程一方面失去了實(shí)測(cè)波形中的薄膜層裂信息，另一方面造成輸入條件不確定問(wèn)題，其計(jì)算結(jié)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?yàn)榻缑娴膭冸x必須依賴經(jīng)薄膜自由表面反射的拉伸應(yīng)力波，同時(shí)這種層裂機(jī)制對(duì)薄膜的厚度也帶來(lái)限制，一般僅能檢測(cè)很薄的幾個(gè)微米的薄膜。
6.不符合實(shí)際應(yīng)用，因?yàn)樵谠囼?yàn)中，必須采用一系列不同功率的激光束沖擊一系列同一種試樣，來(lái)摸索薄膜層裂的臨界激光入射能量閥值，再估算層裂強(qiáng)度。由于不同試樣的薄膜結(jié)合強(qiáng)度的波動(dòng)性，以及激光與材料耦合的復(fù)雜性，加之層裂判別的手段匱乏，造成這一工作只能局限于定性的實(shí)驗(yàn)室研究。
本發(fā)明是按下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的將激光器發(fā)出的激光束通過(guò)外光路系統(tǒng)沖擊試樣體系表面，其特征在于激光束沖擊等邊直角三棱柱或其變形體的試樣后，形成高幅壓縮應(yīng)力波，經(jīng)試樣斜面反射后轉(zhuǎn)換成拉伸應(yīng)力波，再作用界面，產(chǎn)生界面單純拉伸剝離，同時(shí)應(yīng)力波信號(hào)由示波器傳輸?shù)接?jì)算機(jī)處理終端進(jìn)行分析處理。
干涉測(cè)量光束經(jīng)分光鏡分成兩路分別作用在試樣的斜面和直角面上實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)干涉。采用觸發(fā)開(kāi)關(guān)控制雙通道示波器的開(kāi)啟。
實(shí)現(xiàn)該方法的裝置，包括激光器、外光路系統(tǒng)、工裝夾具系統(tǒng)、試樣體系、干涉儀、示波器、控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)處理終端，其特征在于試樣體系為等邊直角三棱柱或其變形體。試樣體系表面貼設(shè)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(tǒng)由安裝試樣體系的下夾板和帶直角凹槽的壓緊螺桿組成。
其工作過(guò)程按下述步驟進(jìn)行(1)由激光器發(fā)出的激光束通過(guò)外光路系統(tǒng)垂直沖擊安裝在夾具中的呈等邊直角三棱柱或其變形體的待測(cè)試樣的一個(gè)直角表面，粘貼該面上的柔性貼膜受到激光誘導(dǎo)的沖擊波作用產(chǎn)生向試樣內(nèi)部傳播的高幅壓縮應(yīng)力波；(2)高幅壓縮應(yīng)力波首先沿入射直角面法向向三棱柱試樣斜面?zhèn)鞑?，?dāng)壓縮應(yīng)力波傳播到試樣斜面時(shí)，經(jīng)反射轉(zhuǎn)變成拉伸應(yīng)力波，并垂直于應(yīng)力波入射方向向試樣的另一直角面垂直傳播，并在該直角面上同時(shí)到達(dá)，由于沖擊面中各點(diǎn)應(yīng)力波傳播的路程相同，沖擊波的衰減合乎相結(jié)構(gòu)變化均保持一致，此后以平面波形式繼續(xù)傳播。
(3)轉(zhuǎn)換的拉伸應(yīng)力波首先垂直作用在待測(cè)界面上，導(dǎo)致界面在單純拉伸應(yīng)力作用下直接剝離，處于臨界狀態(tài)時(shí)的界面層裂應(yīng)力即為界面拉伸強(qiáng)度，也即界面結(jié)合強(qiáng)度。
(4)在激光器發(fā)出激光束的同時(shí)，觸發(fā)開(kāi)關(guān)同時(shí)或定量延時(shí)開(kāi)啟高頻雙通道示波器(500M或1G以上)，且在斜面和待測(cè)直角面下的自由表面，干涉儀以雙點(diǎn)干涉在線實(shí)時(shí)接受的界面拉伸剝離前后的斜面和底面上的質(zhì)點(diǎn)位移史或速度史(如果采用位移干涉儀，將記錄信號(hào)微分得到速度史，再根據(jù)應(yīng)力波理論計(jì)算轉(zhuǎn)換成應(yīng)力史)，傳輸?shù)诫p通道示波器，得到界面剝離前后應(yīng)力波信號(hào)。
(5)將記錄得到的界面剝離前后應(yīng)力波信號(hào)，作為數(shù)值解析和有限元分析模擬過(guò)程中的輸入條件。同時(shí)作為比較，可以利用界面剝離后應(yīng)力波波形攜帶的層裂信息，利用時(shí)-頻分析和波形分析，可以準(zhǔn)確確定層裂時(shí)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(kuò)展、薄膜剝落)，取臨界狀態(tài)的界面拉伸剝離應(yīng)力即為界面拉伸強(qiáng)度，因此實(shí)現(xiàn)單次沖擊、一次測(cè)定。
試樣體系由工件表面貼設(shè)構(gòu)成一體式的透明約束層和能量吸收層的柔性貼膜。激光器內(nèi)的調(diào)制器產(chǎn)生的激光束的脈沖寬度為1ns-10ns，波長(zhǎng)1064納米、532納米或更小。調(diào)節(jié)激光脈寬、能量、光束直徑等參數(shù)來(lái)調(diào)整產(chǎn)生的應(yīng)力波的大小。
本發(fā)明提出薄膜和復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)定量測(cè)試方法，對(duì)于平面型界面，在拉伸應(yīng)力波作用下，臨界剝離的拉伸應(yīng)力即為界面結(jié)合強(qiáng)度。對(duì)于顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料和纖維增強(qiáng)復(fù)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(guī)律周期或非周期地分布在層裂面上。根據(jù)其分布特征，應(yīng)用數(shù)學(xué)解析、有限差分或有限元的方法，將層裂面上的層裂應(yīng)力分解到各個(gè)待測(cè)界面上，從而得到待測(cè)界面的結(jié)合強(qiáng)度。
本發(fā)明具有如下技術(shù)優(yōu)勢(shì)(1)徹底消除了傳統(tǒng)測(cè)試方法中無(wú)法避免的包辛格效應(yīng)。應(yīng)用本裝置可利用試樣斜面上應(yīng)力波形的轉(zhuǎn)換，在待測(cè)直角面乃至整個(gè)下部區(qū)域形成單純拉伸應(yīng)力區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)待測(cè)界面，界面將產(chǎn)生單純拉伸剝離，實(shí)現(xiàn)了界面受力狀態(tài)由先受壓應(yīng)力再受拉應(yīng)力轉(zhuǎn)換成為先受拉應(yīng)力。從而從根本上消除了包辛格效應(yīng)，原理更科學(xué)，結(jié)果更準(zhǔn)確。
(2)以兩點(diǎn)干涉(斜面和直角面)的方法接受界面前后作用的應(yīng)力波信號(hào)，并將其作為已知條件，這解決了數(shù)值模擬和有限元分析中激光沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力波無(wú)法定量確定的難題。
(3)實(shí)現(xiàn)單次沖擊一次測(cè)定界面結(jié)合強(qiáng)度，無(wú)須擬合計(jì)算入射應(yīng)力波。同時(shí)可以利用層裂后應(yīng)力波波形攜帶的層裂信息，利用時(shí)-頻分析和波形分析，可以準(zhǔn)確確定層裂時(shí)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(kuò)展、薄膜剝落)，實(shí)現(xiàn)單次沖擊一次測(cè)定薄膜結(jié)合強(qiáng)度。
(4)薄膜和涂層無(wú)厚度限制。由于界面又是首先承受拉伸應(yīng)力，而且應(yīng)力波的上升沿很小，約1-5納秒，故對(duì)薄膜的厚度也沒(méi)有任何要求，理論上可以檢測(cè)無(wú)窮厚。
(5)除可測(cè)定平面型界面結(jié)合強(qiáng)度以外，還可測(cè)定顆粒增強(qiáng)或纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的非連續(xù)、非規(guī)則排列的界面結(jié)合強(qiáng)度。
(6)在工件表面采用柔性貼膜，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，不僅提高了激光能量利用率，而且使激光沖擊便捷、高效、低成本。
本發(fā)明提出的裝置由激光器1、外光路系統(tǒng)、工裝夾具系統(tǒng)、試樣體系9、干涉儀13、示波器15、控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理終端14組成。外光路系統(tǒng)包括由分光鏡2、含衰減器的導(dǎo)光和分光系統(tǒng)3、聚焦鏡4組成的入射脈沖激光束光路系統(tǒng)及由分光鏡11、反射鏡8、10組成的干涉光束光路系統(tǒng)，工裝夾具系統(tǒng)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桿29組成，控制系統(tǒng)包括光電二極管觸發(fā)開(kāi)關(guān)16。試樣體系9呈三棱柱形式，其一直角表面貼設(shè)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，并經(jīng)由分光鏡2經(jīng)脈沖激光束5依次與導(dǎo)光和分光系統(tǒng)3及聚焦鏡4相連構(gòu)成的入射脈沖激光束光路系統(tǒng)與激光器1相連，位移干涉儀13發(fā)出的干涉測(cè)量光束12經(jīng)分光鏡11分別與反射鏡8、10相連并分成二路，分別作用在試樣體系9的斜面和另一直角面上，實(shí)現(xiàn)位移干涉儀13與試樣體系9的連接。雙通道示波器15一端與位移干涉儀13相連，接收應(yīng)力波信號(hào)，其另一端與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理終端14相連，將應(yīng)力波信號(hào)傳輸出去，光電二極管觸發(fā)開(kāi)關(guān)16一端經(jīng)光路與分光鏡2相連接受激光束信號(hào)，另一端與雙通道示波器15相連控制其開(kāi)啟。
本發(fā)明的方法為激光器1發(fā)出的入射激光束5經(jīng)聚焦后直接輻射試樣體系9的柔性貼膜能量吸收層7，其瞬時(shí)汽化并形成高溫等離子體，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(jìn)而劇烈爆炸，產(chǎn)生向試樣體系9內(nèi)部傳播的入射壓縮應(yīng)力波23。此時(shí)沖擊波沿等邊直角三棱柱試樣中特定的路徑傳播，當(dāng)它傳播到試樣斜面18時(shí)，經(jīng)反射轉(zhuǎn)變成拉伸應(yīng)力波22，并垂直于沖擊波入射方向向試樣的另一直角面?zhèn)鞑?，并同時(shí)到達(dá)該直角面。這樣轉(zhuǎn)換后的拉伸應(yīng)力波首先作用在待測(cè)界面20上，界面在拉伸應(yīng)力作用下直接剝離。在激光器1發(fā)出脈沖激光束5的同時(shí)，光電二極管觸發(fā)開(kāi)關(guān)16同時(shí)或定量延時(shí)開(kāi)啟示波器15，位移干涉儀13在線實(shí)時(shí)接受記錄界面層裂前后的應(yīng)力波。計(jì)算機(jī)處理終端14計(jì)算得到界面層裂應(yīng)力史，取臨界界面剝離值，即為界面拉伸強(qiáng)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(gè)直角面上，在試樣基體17的另一個(gè)直角面上設(shè)計(jì)平行與該直角面的待測(cè)界面20。
圖3是另一試樣體系實(shí)施例的示意圖，其在等邊直角三棱柱下方延長(zhǎng)，增加一個(gè)矩形區(qū)域稱之為虛三棱柱，薄膜或涂層21的干涉信號(hào)接受底面19處于該區(qū)域下方，該區(qū)域即為單純拉伸應(yīng)力區(qū)。
圖4是復(fù)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(shí)驗(yàn)后決定，根據(jù)經(jīng)斜面反射后的拉伸應(yīng)力波在經(jīng)過(guò)下方的直角邊以后已經(jīng)轉(zhuǎn)變成平面拉伸應(yīng)力波，因此層裂面25仍然平行于虛三棱柱直角面24。
圖5是復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)定量分解示意圖，對(duì)于顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，在層裂面25上，圓柱形增強(qiáng)纖維26的界面以及其它形狀的界面按特定分布規(guī)律周期或非周期地分布在層裂面上。根據(jù)其分布特征，應(yīng)用數(shù)學(xué)解析、有限差分或有限元的方法，將層裂面上的層裂應(yīng)力27分解到各個(gè)待測(cè)界面上，從而得到待測(cè)界面的結(jié)合強(qiáng)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桿29經(jīng)上夾板28頂緊。底部和右側(cè)面用于檢測(cè)干涉測(cè)量光束12入射，左側(cè)面用于脈沖激光束5入射。
不同的試樣體系形式的變化都可能實(shí)現(xiàn)不同的測(cè)量，這里僅闡明它的技術(shù)方案和部分實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種界面結(jié)合強(qiáng)度激光沖擊定量測(cè)定方法，其將激光器發(fā)出的激光束通過(guò)外光路系統(tǒng)沖擊試樣體系表面，其特征在于激光束沖擊等邊直角三棱柱或其變形體的試樣后，形成壓縮應(yīng)力波，經(jīng)試樣斜面反射后轉(zhuǎn)換成拉伸應(yīng)力波，再作用界面，產(chǎn)生界面單純拉伸剝離，同時(shí)應(yīng)力波信號(hào)由示波器傳輸?shù)接?jì)算機(jī)處理終端進(jìn)行分析處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的界面結(jié)合強(qiáng)度激光沖擊定量測(cè)定方法，其特征在于將干涉測(cè)量光束經(jīng)分光鏡分成兩路分別作用在試樣的斜面和直角面上實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)干涉。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所提出的界面結(jié)合強(qiáng)度激光沖擊定量測(cè)定方法，其特征在于采用觸發(fā)開(kāi)關(guān)控制雙通道示波器的開(kāi)啟。
4.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的界面結(jié)合強(qiáng)度激光沖擊定量測(cè)定方法的裝置，其包括激光器(1)、外光路系統(tǒng)、工裝夾具系統(tǒng)、試樣體系(9)、干涉儀(13)、示波器(15)、控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理終端(14)，其特征在于試樣體系(9)為等邊直角三棱柱或其變形體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的界面結(jié)合強(qiáng)度激光沖擊定量測(cè)定方法的裝置，其特征在于試樣體系(9)表面貼設(shè)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(jù)權(quán)利要求4所述的界面結(jié)合強(qiáng)度激光沖擊定量測(cè)定方法的裝置，其特征在于示波器為雙通道示波器(15)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的界面結(jié)合強(qiáng)度激光沖擊定量測(cè)定方法的裝置，其特征在于工裝夾具系統(tǒng)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桿(29)組成。
全文摘要
本發(fā)明涉及激光技術(shù)和材料性能測(cè)試領(lǐng)域,特指一種界面結(jié)合強(qiáng)度的激光沖擊定量測(cè)定方法及裝置,適用薄膜或膠粘劑的附著力的測(cè)定、各種復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)定。其將激光器發(fā)出的激光束通過(guò)外光路系統(tǒng)沖擊等邊直角三棱柱或其變形體的試樣體系表面后,形成高幅壓縮應(yīng)力波,經(jīng)試樣斜面反射后轉(zhuǎn)換成拉伸應(yīng)力波,再作用界面,產(chǎn)生界面單純拉伸剝離,而干涉測(cè)量光束經(jīng)分光鏡分成兩路分別作用在試樣的斜面和直角面上實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)干涉,同時(shí)采用觸發(fā)開(kāi)關(guān)控制雙通道示波器的開(kāi)啟,應(yīng)力波信號(hào)由示波器傳輸?shù)接?jì)算機(jī)處理終端進(jìn)行分析處理。應(yīng)用本裝置可利用試樣斜面上應(yīng)力波形的轉(zhuǎn)換,在待測(cè)直角面乃至整個(gè)下部區(qū)域形成單純拉伸應(yīng)力區(qū)。
文檔編號(hào)G01N3/30GK1360204SQ0113732
公開(kāi)日2002年7月24日 申請(qǐng)日期2001年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月30日
發(fā)明者周明, 張永康, 蔡蘭 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)