CN102706801B - 涂层界面弱结合强度测量方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种涂层界面弱结合强度测量方法及装置，涉及激光检测技术领域，特指基于激光诱导冲击波的涂层界面弱结合强度测量方法和装置。本发明射激光束经凸透镜聚焦，在凸透镜焦点处对空气进行烧蚀形成激光诱导冲击波，激光诱导冲击波面向测量对象传播；待激光诱导冲击波与测量对象相互作用结束后形成圆形区域，测量圆形区域直径，结合凸透镜焦点与测量对象所在平面的垂直距离，获得凸透镜焦点到圆形区域边界的距离；进一步获得该处激光诱导冲击波的压强，此压强来表征测量对象的弱结合强度。本发明实现了对涂层界面弱结合强度定量的测量；本发明所用装置结构简单，体积小，很容易的布置在测量对象周围，且装卸方便。

Description

涂层界面弱结合强度测量方法及装置
所属领域
本发明涉及激光检测技术领域，特指基于激光诱导冲击波的涂层界面弱结合强度测量方法和装置。
技术背景
目前检测涂层界面结合强度的方法有很多（张永康，孔德军，冯爱新，鲁金忠，葛涛，涂层界面结合强度检测研究(Ⅱ):涂层结合界面应力检测系统，物理学报，2006,55（11）：6008-6009），如划痕试验法、激光层裂法、压痕试验法、界面压入法等，这些对弱结合强度的涂层并不适用，现有的一种检测方法就是透明胶粘贴是否脱落，这种方法不能做到定量的测量。对于只有一个大气压左右的弱结合强度涂层，在真空中表现为较大的结合强度，一个潜在的应用就是在太空中作为一种安全装置，当外界作用强度超过阈值时，使其脱落来保证人员生命和设备的安全。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是通过提供基于激光诱导冲击波的涂层界面弱结合强度测量方法和装置，对涂层界面弱结合强度进行定量的测量。
基于激光诱导冲击波的涂层界面弱结合强度测量方法，其特征是，具体步骤如下：
1）开启激光器，发射出激光束经凸透镜聚焦后，在凸透镜焦点处对空气进行烧蚀，形成激光诱导冲击波面向测量对象传播。
2）激光诱导冲击波与测量对象相互作用结束后，在测量对象上形成圆形区域，凸透镜焦点与测量对象所在平面的垂足即为该圆形区域的圆心，测量圆形区域的直径为                                                
Figure 247250DEST_PATH_IMAGE002
，结合凸透镜焦点与测量对象所在平面的垂直距离，即凸透镜焦点与圆形区域圆心的距离，获得凸透镜焦点到圆形区域边界的距离
Figure 68761DEST_PATH_IMAGE006
。
3）使用分光镜、光电二极管、声发射传感器和示波器来获得激光诱导冲击波从凸透镜焦点处传播到距离
Figure 152386DEST_PATH_IMAGE008
处的时间
Figure 904441DEST_PATH_IMAGE010
，进一步获得激光诱导冲击波传播的速度
Figure 913854DEST_PATH_IMAGE012
，结合公式
Figure 180888DEST_PATH_IMAGE014
获得激光诱导冲击波在距离
Figure 317471DEST_PATH_IMAGE008
处的压强
Figure 674765DEST_PATH_IMAGE016
，以此压强
Figure 2012102036460100002DEST_PATH_IMAGE017
来表征测量对象界面的弱结合强度，式中空气的绝热指数
Figure DEST_PATH_IMAGE019
，常温下声速
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为一个标准大气压。
基于激光诱导冲击波的涂层界面弱结合强度测量方法的原理是：激光束经过凸透镜聚焦对空气进行烧蚀，形成激光诱导冲击波，该激光诱导冲击波在空气中传播是一个衰减过程，即激光诱导冲击波压强不断的降低。当激光诱导冲击波传播距离小于
Figure 730446DEST_PATH_IMAGE024
时，激光诱导冲击波强度大于涂层界面结合强度，使涂层脱离基体；当激光诱导冲击波传播距离大于
Figure 173191DEST_PATH_IMAGE024
时，激光诱导冲击波强度小于涂层界面结合强度，涂层保留在基体上；当激光诱导冲击波传播距离等于
Figure 847886DEST_PATH_IMAGE024
时，此时处于临界状态，激光诱导冲击波强度等于涂层界面结合强度。
基于激光诱导冲击波的涂层界面弱结合强度测量装置，包含激光器、分光镜、凸透镜、光电二极管、声发射传感器、示波器、信号线和测量对象；在激光器输出光路上依次放置分光镜、凸透镜，所述分光镜于激光器输出光路夹角为45度；在所述分光镜反射的触发光路上放置光电二极管，所述光电二极管的接收口正对分光镜并与激光器输出光路垂直，所述光电二极管和分光镜的距离等于分光镜和凸透镜焦点的距离，所述光电二极管通过信号线连接示波器；所述声发射传感器和凸透镜焦点距离等于，所述声发射传感器通过信号线连接示波器。
涂层界面弱结合强度测量装置中，激光器脉宽10ns，输出频率为1HZ-5HZ；凸透镜焦距为3cm-5cm；声发射传感器谐振频率为150KHZ。
本装置的使用方法如下：开启激光器，发射激光束通过凸透镜聚焦后，在凸透镜焦点处对空气进行烧蚀，形成激光诱导冲击波，面向测量对象传播；激光诱导冲击波与测量对象作用后，在测量对象上形成圆形区域，测量圆形区域直径为
Figure DEST_PATH_IMAGE025
，结合凸透镜焦点与测量对象所在平面的垂直距离
Figure 925749DEST_PATH_IMAGE004
（即凸透镜焦点与圆形区域圆心的距离），获得凸透镜焦点和圆形区域边界的距离
Figure 849931DEST_PATH_IMAGE006
；开启示波器，将声发射传感器移至距离凸透镜焦点
Figure 62737DEST_PATH_IMAGE008
处；开启激光器，发射相同能量的激光束对凸透镜焦点处空气进行烧蚀，从示波器上读出光电二极管信号与声发射传感器信号的时间差，该时间差即为激光诱导冲击波从凸透镜焦点处传播到距离
Figure 706208DEST_PATH_IMAGE008
处的时间
Figure 228325DEST_PATH_IMAGE010
。
本发明的有益效果如下：
（1）本发明能够实现涂层界面弱结合强度定量的测量。
（2）本发明所用装置结构简单，体积小，很容易的布置在测量对象周围，且装卸方便。
附图说明
图1是基于激光诱导冲击波的涂层界面弱结合强度测量装置简图。
图2是电路板-二氧化硅实施例中示波器采集的信号。
图中，10-测量对象，11-圆形区域，20-激光器，21-分光镜，22-凸透镜，23-焦点，24-光电二极管，25-声发射传感器，26-示波器。
具体实施方式
下面结合图1对本发明的装置进行详细说明。
实现本发明的装置包含：包含激光器20、分光镜21、凸透镜22、光电二极管24、声发射传感器25、示波器26、信号线和测量对象10；在激光器20输出光路上依次放置分光镜21、凸透镜22，所述分光镜21于激光器20输出光路夹角为45度；在所述分光镜21反射的触发光路上放置光电二极管24，所述光电二极管24的接收口正对分光镜21并与激光器20输出光路垂直，所述光电二极管24和分光镜21的距离等于分光镜21和凸透镜焦点23的距离，所述光电二极管24通过信号线连接示波器26；所述声发射传感器25和凸透镜焦点23距离等于
Figure 894930DEST_PATH_IMAGE008
，所述声发射传感器25
通过信号线连接示波器26。
以电路板-二氧化硅为实施例，其中电路板为基体、二氧化硅颗粒为涂层，对本发明所述方法和装置进行说明。开启激光器20，发射100mJ能量激光束通过凸透镜22聚焦后，在凸透镜焦点23处对空气进行烧蚀，形成激光诱导冲击波，面向测量对象10传播；激光诱导冲击波与测量对象10作用后，在测量对象10上形成圆形区域11，测量圆形区域直径为
Figure DEST_PATH_IMAGE027
，结合凸透镜焦点23与测量对象10所在平面的垂直距离
Figure DEST_PATH_IMAGE029
（即凸透镜焦点23
与圆形区域11圆心的距离），获得凸透镜焦点23和圆形区域11边界的距离
Figure DEST_PATH_IMAGE031
；开启示波器26，将声发射传感器25移至凸透镜焦点23距离
Figure 599843DEST_PATH_IMAGE024
处；开启激光器20，发射相同能量的激光束对凸透镜焦点23处空气进行烧蚀，如图2所示（信号1是光电二极管信号，信号2是声发射传感器信号），从示波器26上读出光电二极管24信号与声发射传感器25信号的时间差，该时间差即为激光诱导冲击波从凸透镜焦点23处传播到距离
Figure 222454DEST_PATH_IMAGE008
处的时间
Figure DEST_PATH_IMAGE033
，结合公式
Figure 682517DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 570839DEST_PATH_IMAGE034
获得激光诱导冲击波在距离
Figure 453344DEST_PATH_IMAGE008
处的压强
Figure DEST_PATH_IMAGE036
，其中为一个标准大气压，即电路板-二氧化硅的涂层界面弱结合强度
Figure 930462DEST_PATH_IMAGE036
。

Claims (1)

1.涂层界面弱结合强度测量方法，其特征是，具体步骤如下：
A）开启激光器（20），发射出激光束经凸透镜（22）聚焦后，在凸透镜焦点（23）处对空气进行烧蚀，形成激光诱导冲击波面向测量对象（10）传播；
B）激光诱导冲击波与测量对象（10）相互作用结束后，在测量对象（10）上形成圆形区域（11），凸透镜焦点（23）与测量对象（10）所在平面的垂足即为该圆形区域（11）的圆心，测量圆形区域（11）的直径为                                                
Figure 995541DEST_PATH_IMAGE002
，结合凸透镜焦点（23）与测量对象（10）所在平面的垂直距离
Figure 974998DEST_PATH_IMAGE004
，获得凸透镜焦点（23）到圆形区域（11）边界的距离
Figure 754735DEST_PATH_IMAGE006
；
C）使用分光镜（21）、光电二极管（24）、声发射传感器（25）和示波器（26）来获得激光诱导冲击波从凸透镜焦点（23）处传播到距离处的时间
Figure 774436DEST_PATH_IMAGE010
，进一步获得激光诱导冲击波传播的速度，结合公式
Figure 863932DEST_PATH_IMAGE014
获得激光诱导冲击波在距离
Figure DEST_PATH_IMAGE015
处的压强
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，以此压强
Figure 125149DEST_PATH_IMAGE018
来表征测量对象（10）界面的弱结合强度，式中空气的绝热指数
Figure 607077DEST_PATH_IMAGE020
，常温下声速
Figure 600441DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
为一个标准大气压。
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