CN102445158B - 一种制作高温散斑的方法 - Google Patents
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Abstract
一种制作高温散斑的方法，属于光测力学技术领域。本发明的技术特点是在通过对模拟散斑进行优化，寻求最佳的散斑制作工艺参数，然后制作不同放大倍数对应下的散斑，通过打印设备将散斑图打印到聚氯乙烯片，比较方便灵活，依此为掩模板，然后通过光刻刻蚀的方法在高温材料试样表面形成散斑。该方法操作简单、散斑场可量化，容易实现，尤其适用于高温环境下不同材料的宏观变形行为的研究。
Description
技术领域
本发明涉及一种高温散斑的制作方法，属于光测力学、工程材料、构件变形和位移测试技术领域。
背景技术
随着新型高温材料的开发及航空、动力工业等部门对在役高温元件的变形实测研究工作的需要，高温环境下材料和结构的力学性能以及变形状态和破坏机理日益受到科研人员的重视，在许多航空航天工程领域，高温力学问题一直是一个广泛而突出且不可避免的问题。因此发展高温条件下的变形测量成为实验力学领域研究人员目前所关注的集中问题。目前高温测试方法也比较多，传统的电测方法及高温引伸计测量方法无法进行全场位移变形场的测量，且都存在温度过高会引起严重的飘移问题。随着激光技术和现代光学的发展，产生了全息干涉、散斑干涉技术，这些方法在高温测试领域有了很大发展。高温云纹干涉法的测量精度高，但高温光栅制作成本比较高，且激光干涉方法的光路比较复杂，调节过程比较繁琐。本发明是在一种数字图像相关光测测量方法基础上，发展了一种高温散斑的制作方法。
目前散斑制作方法多为人工喷漆制斑方法，通常采用的常温自动喷漆，这样制作的散斑在测试温度达到200℃后会发生氧化，影响测试结果的准确性。大多数散斑制作者不能定量散斑颗粒大小和密度，研究表明，散斑颗粒大小和密度对测试精度存在一定的影响。除此之外，散斑的质量与操作者的技术娴熟程度密切相关，对于初学者很难得到均匀分布的质量较高的散斑图。在制作散斑方面，中国专利文献(申请号：200810101918.X)公开了一种制作高温微米尺度散斑的方法，该方法利用软件模拟一幅散斑图，并将散斑图转化为二值图，在镀有耐高温薄膜的试件表面上均匀涂布一层光刻胶，根据得到的二值图对试件表面进行电子束曝光，经过显影、定影后清晰的沟槽结构，在具有沟槽结构的光刻胶表面再镀一层耐高温薄膜，腐蚀掉剩余的光刻胶，最终在试件表面得到高温散斑，这种方法可以调节散斑的尺寸及密度。这种方法针对微尺度试件，对于宏观试件这种方法成本过高。
发明内容
本发明的目的是根据平均灰度梯度平方和原理制作实际测试区域大小对应的散斑图模板，依此为掩模板，对试件基底材料抛光、清洗、烘干后，在试件材料表面沉积一层在高温下抗氧化的金属膜，表面涂有光刻胶，将掩模板放到试件表面进行光刻曝光，再通过等离子刻蚀方法表面形成散斑。该方法操作简单、散斑场可量化，容易实现，适用于高温环境下基底材料采用耐高温的金属合金或非金属材料的变形行为的研究。
本发明的技术方案如下：
一种制作高温散斑的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)利用计算机软件生成多幅颗粒大小和数目各不相同的模拟散斑图，根据图像平均灰度梯度平方和选择出最佳模拟图，将该散斑图转化为二值图；根据实际测试区域的大小确定不同散斑大小和密度的相应的散斑图模板；
2)利用有机玻璃打印机将对应实际测试区域的散斑二值图打印在聚氯乙烯片上，打印出的散斑图像作为掩模板；
3)将试件切割成所需形状，并进行清洗，确定测试区域，根据测试区域的大小确定对应的掩模板；
4)利用真空镀膜装置在试件表面蒸镀一层金属膜，利用匀胶机在金属膜表面均匀涂一层光刻胶；
5)将涂有光刻胶的试件竖直放在真空汞灯曝光系统的载物台上，使镀膜的表面朝向汞灯发射的一侧，将选定好的掩模板紧贴放到试件表面，不断重复光照强度、曝光时间及显影时间，直至在光刻胶表面得到清晰的掩模板散斑分布结构；
6)将表面含有掩模板散斑分布结构的试件放入电感耦合等离子体刻蚀机中进行等离子刻蚀，在金属膜上形成散斑；
7)腐蚀掉剩余的光刻胶，最终在试件表面得到高温散斑。
所述的金属膜采用金膜或铬膜，膜厚度为0.1微米。光刻胶旋涂的厚度在0.1～2.0微米范围，曝光时间10～20s。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：散斑的颗粒大小和密度可以控制得到最佳工艺参数下的散斑模板，掩膜板制作比较简单，可以根据测试区域的大小方便地选择相应的掩膜板，散斑最后刻蚀在高温材料基体内，在高温测试中不会使散斑脱落，提高测量精度。制作成本低，工艺相对简单，特别是对于宏观试件这种方法更为适用。
附图说明
图1为本发明的操作工艺流程图。
图2为一幅模拟散斑二值化处理图。
图3为图2反向二值化的散斑图。
具体实施方式
现结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
图1为本发明的操作流程图。(利用计算机软件(如matlab)和平均梯度平方和模拟散斑图，并做不同放大倍数下散斑图，将散斑图转化为二值图，)利用计算机软件生成多幅颗粒大小和数目各不相同的模拟散斑图，根据图像平均灰度梯度平方和选择出最佳模拟图，散斑的大小为3个像素，将该散斑图转化为二值图；根据实际测试区域的大小确定不同散斑大小和密度的相应的散斑图模板；利用有机玻璃打印机将二值化散斑图打印到聚氯乙烯片上，将含有散斑图的聚氯乙烯片作为掩模板。将试件切割成所需要的形状，并进行清洗，确定测试区域，根据测试区域的大小确定对应的掩模板。利用真空镀膜装置在试件表面蒸镀一层金属膜，膜厚一般为0.1～1μm，耐高温薄膜可以是金膜或铬膜，然后利用甩胶机在耐高温薄膜表面均匀涂布一层光刻胶，光刻胶厚度在0.1～2.0微米。将涂有光刻胶的试件竖直放在真空汞灯曝光系统的载物台上，使镀膜的表面朝向汞灯发射的一侧，将选定好的掩模板紧贴放到试件表面，使镀膜的表面朝上，根据光照强度预设置曝光时间，一般曝光时间10～20s。经过显影、定影后，光刻胶表面呈现掩模板散斑分布结构，观察结构散斑是否清晰，如果不清晰则不断重复光照强度、曝光时间及显影时间，直至在光刻胶表面得到清晰的掩模板散斑分布结构。将显影后的试件放入电感耦合等离子体刻蚀机中，充入混合气体进行等离子刻蚀，在金属膜上形成散斑。腐蚀掉剩余的光刻胶，最终在试件表面得到高温散斑。
实施例：
利用Matlab软件生成颗粒大小和数目各不相同的多幅模拟散斑图，模拟散斑图由多个随即分布的高斯光斑叠加组成的，其灰度分布可由下式表示：
其中，s为散斑颗粒的数目；R散斑颗粒的大小；二维随机变量rk＝(xk，yk)T是第k个散斑颗粒的位置；
为第k个散斑颗粒中心的灰度值，r代表散斑的位置。
根据图像平均灰度梯度平方和选择出最佳模拟图(图2)，图像平均灰度梯度平方和越大，说明散斑图越好，将该散斑图转化为二值图(图3)，其中图像平均灰度梯度平方和的定义为
M和N分别为图像的高度和宽度，单位为像素，
是每个像素点灰度梯度矢量的模，其中gx(xij)，gy(xij)为像素点xij处在x和y方向的灰度梯度，可利用常用的梯度算子计算确定。将利用有机玻璃打印机将二值化散斑图打印到聚氯乙烯片上，将含有散斑图的聚氯乙烯片作为掩模板。
试件基底材料为GH3030高温合金，光刻胶为聚甲基丙烯酸甲脂(AR-P 671.09 E-BeamResist PMMA 950K)，掩模板为大小为120mm×120mm。将试件材料表面抛光，不平度应小于0.01mm，表面粗糙度为0.1μm，清洗烘干，蒸镀一层金膜，把试件放在涂胶机上，用滴管滴1-2滴光刻胶在其中心处。启动涂胶机以5000转/分钟的转速持续60秒，旋涂后基底材料表面的光刻胶层厚度在1.2微米。然后使用线切割做成有效区域为20mm×60mm的拉伸试件，实验中选用的测试区域的拍摄图像每个像素代表78μm，则对应散斑的实际大小为234μm，选择对应的模板。将试件和掩模板放入汞灯真空曝光系统中，抽真空使试件和掩模板完全吸附在一起，防止发生衍射，设定曝光时间为10s，曝光完毕后在浓度为5％的正交显影液中显影15s。将显影好的试件放入电感耦合等离子体刻蚀机中，充入CF4+O2混合气体进行刻蚀，刻蚀完毕后腐蚀掉剩余的光刻胶，最终在试件表面得到高温散斑。
Claims (3)
1.一种制作高温散斑的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)利用计算机软件生成多幅颗粒大小和数目各不相同的模拟散斑图，根据图像平均灰度梯度平方和选择出最佳模拟图，将该散斑图转化为二值图；根据实际测试区域的大小确定不同散斑大小和密度的相应的散斑图模板；
2)利用有机玻璃打印机将对应实际测试区域的散斑二值图打印在聚氯乙烯片上，打印出的散斑图像作为掩模板；
3)将试件切割成所需形状，并进行清洗，确定测试区域，根据测试区域的大小确定对应的掩模板；
4)利用真空镀膜装置在试件表面蒸镀一层金属膜，利用匀胶机在金属膜表面均匀涂一层光刻胶；
5)将涂有光刻胶的试件竖直放在真空汞灯曝光系统的载物台上，使镀膜的表面朝向汞灯发射的一侧，将选定好的掩模板紧贴放到试件表面，不断重复光照强度、曝光时间及显影时间，直至在光刻胶表面得到清晰的掩模板散斑分布结构；
6)将表面含有掩模板散斑分布结构的试件放入电感耦合等离子体刻蚀机中进行等离子刻蚀，在金属膜上形成散斑；
7)腐蚀掉剩余的光刻胶，最终在试件表面得到高温散斑。
2.按照权利要求1所述一种制作高温散斑的方法，其特征在于：所述的金属膜采用金膜或铬膜，膜厚度为0.1微米。
3.按照权利要求1所述一种制作高温散斑的方法，其特征在于：光刻胶的厚度在0.1～2.0微米范围，曝光时间10～20s。
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