CN104330334B - 一种测试涂层密度的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测试材料涂层密度的测试方法，该方法采用常规的密度测试方法,针对由基体层和涂层组成的复合体试件，分别测量基体层试件的干重m_s、密度ρ_s和复合体试件的干重密度利用导出的算式计算涂层的密度ρ_c。本发明适用于单涂层和多涂层材料的测试，对于多层涂层或梯度涂层，每测试一次干重、密度后研磨掉表层涂层，再测试一次干重、密度，通过两次测试到的干重和密度计算出被研磨掉的表层涂层的密度。反复该步骤可以测试第二层涂层的密度。依次类推可以测试每一层的密度。该发明解决了涂层特别是陶瓷涂层密度测试的难题，具有较强的实用价值。

Description

一种测试涂层密度的测试方法

技术领域

本发明属于复合材料力学性能评价技术领域，涉及一种测试涂层密度的方法，如硬脆陶瓷热障涂层、耐磨耐腐蚀绝缘涂层等。

背景技术

陶瓷涂层越来越广泛地使用在现代工业和国防工业，包括航空、航天、汽车、石油化工以及各种高温耐磨器械。在金属或其他固体材料上通过物理或化学的方法镀上高硬度、高强度、耐腐蚀、耐磨损、抗高温的脆性陶瓷镀层，对于现代机械领域的性能提高具有重要意义。在化工领域，很多腐蚀液体通过的管道内壁镀上陶瓷涂层，寿命和耐久性可以提高数倍。在国防工业和冶金工业领域，很多耐高温构件的表面需要镀上热障涂层，以实现承受高温或超高温和氧化腐蚀的效果。这种陶瓷涂层的应用前景非常好，但是在设计上需要知道陶瓷涂层的密度，以便分析涂层热应力和热匹配引起的变形和防止剥离现象。由于涂层无法单独从基体层上取下，它的性能测试成为一个难题。

发明内容

本发明的目的即在解决涂层密度无法直接测定的技术难题，提供一种采用相对法来测试单层或多层复合涂层的密度的测试方法。

根据本发明的材料涂层密度的测试方法，确定涂层本身的密度可以表示为复合体试件和基体层试件的干重及密度的函数，只要确定出含涂层试件的干重、密度和基体层的干重、密度，即可得到涂层的密度。

对于一个带有陶瓷涂层的试件，用常规方法测试试件的干重、密度后，研磨去掉涂层，再测试一次干重、密度，利用前后两次测试到的干重值和密度值，即可确定被磨掉的涂层的密度。

对于多层涂层的试件，每一层密度的测试均可借鉴单涂层的测试，逐层测试各涂层的密度。

本发明第一方面的目的在于提供一种测试涂层密度的测试方法，包括以下步骤：

(1)针对由基体层和涂层组成的复合体试件，采用阿基米德排水法测量所述复合体试件的干重并计算所述复合体试件的密度

(2)去除所述复合体试件上的涂层，形成基体层试件，采用与步骤(1)相同的方法，测量该基体层试件的干重m_s，并计算该基体层试件的密度ρ_s；

(3)利用下列算式计算所述涂层的密度ρ_c：

式中，

本发明第二方面的目的在于提供一种测试涂层密度的测试方法，上述复合体试件的干重密度和所述基体层的干重m_s、密度ρ_s根据国家标准GB/T 25995-2010获得。

在本发明中，上述涂层为单层涂层或者多层涂层。

本发明第三方面的目的在于提供一种测试涂层密度的测试方法，当上述涂层为多涂层，把最外表层看作是单层涂层,测试试件干重和密度之后，研磨掉最外表层，将剩余的试件看作基体层并测试其干重m_s和密度ρ_s，计算得到最外表层涂层的密度ρ_c；反复以上步骤，逐层确定每层涂层的密度。

本发明第四方面的目的在于提供一种测试涂层密度的测试方法，包括以下步骤：

(1)测量多层涂层复合体试件的干重并计算该多层涂层复合体试件的密度

(2)去除最外表面涂层，测量剩余复合体试件的干重m_s1，并计算研磨后的所述剩余复合体试件的密度ρ_s1；

(3)根据步骤(1)和(2)所得的数据m_s1、ρ_s1计算被研磨掉的表面涂层的密度ρ_c1；

(4)反复以上步骤(2)和(3)，测试去除第二层涂层后的剩余复合体试件的干重m_s2，求出第二层涂层的密度ρ_c2，计算中，去除最外表层涂层后的剩余复合体试件的干重去除最外表层涂层后的剩余复合体试件的密度

(5)依次类推，求出每一层涂层的密度。

本发明第五方面的目的在于提供一种测试涂层密度的测试方法，上述涂层为厚度大于20微米的涂层。

本发明第六方面的目的在于提供一种测试涂层密度的测试方法，通过研磨去除最外表面涂层。

本发明第七方面的目的在于提供一种测试涂层密度的测试方法，上述涂层包括镀覆在金属或陶瓷基体层表面的陶瓷涂层、金属涂层或玻璃涂层；上述陶瓷涂层为陶瓷热障涂层或陶瓷耐磨涂层等涂层材料。

本发明方法适用于与金属或陶瓷基体复合的具有一定厚度的涂层(厚度大于20微米)，主要针对硬脆涂层，包括陶瓷涂层(特别是热障涂层、陶瓷耐磨涂层)、金属涂层或玻璃涂层等的密度的测定。更进一步的，本发明还可以测出多涂层复合材料中各涂层的密度，把最外表层看作是单层涂层，测试试件的干重和密度后研磨掉最外表层，将剩余部分看作基体层并测试干重和密度，反复利用单层涂层的相对法测试，确定每层涂层的密度。

本发明采用相对法的材料涂层密度测试方法，解决了现有涂层密度无法直接测定的技术难题。其不仅适用于难以测定的陶瓷涂层，当然也适用于其他硬脆涂层如金属涂层、玻璃涂层等密度的测定。

附图说明

图1为单层涂层试件横截面示意图。

图2为测试多层涂层试件的横截面示意图。

图3的(a)为碳化硅为涂层、石墨为基体层的复合体的断面形貌显微照片，图3的(b)为石墨基体层试件横截面照片。

图4的(a)为多层涂层试件的电子扫描照片，图4的(b)为图4的(a)中局部L的放大照片。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供一种测试材料涂层密度的测试方法。首先，本发明从理论上建立了基体层试件、复合体试件、涂层材料的解析关系。

本发明的基本思路是采用相对法，它是一种间接方法，例如有A、B、C三个参数，其中两个可以通过现有方法测试，另一个无法测试，然而，如果建立三者之间的解析关系，就可以算出第三个无法测试的参数。陶瓷涂层的密度就是一个难以测试的参数，本发明认为：基体层材料在镀膜之前和镀膜之后的干重和密度均可用常规的方法测得，只需导出涂层密度与已知参数之间的关系，就可以把涂层密度算出来。上述方法因为是通过比较有涂层和无涂层试件的干重、密度参数来确定涂层的密度，本发明把这种方法称为相对法。

涂层试件密度测试的参数表示见表(1)。针对由基体层和涂层组成的复合体试件，涂层本身的密度可以表示为复合体试件和基体层试件的干重和密度的函数，分别测量试件复合体的干重浮重和基体层的干重m_s、浮重m_sf，通过常规的阿基米德排水法计算得到复合体的密度和基体层的密度ρ_s，即可得到涂层的密度ρ_c。

表(1)

涂层密度ρ_c的计算公式的推导过程如下：

①复合体体积V的计算公式：

浸入液体在试验温度下的密度为ρ_y，复合体的体积为复合体试件的干重与浮重的差值除以浸入液体的密度ρ_y，即：

②复合体密度的计算公式：

复合体的密度为复合体的质量除以复合体的体积并将式(1)代入可得：

③基体层体积V_s的计算公式：

基体层的体积V_s为基体层试件的干重m_s与浮重m_sf的差值除以浸入液体的密度ρ_y，即：

④基体层密度ρ_s的计算公式：

基体层的密度ρ_s为基体层的质量m_s除以基体层的体积V_s，并将式(3)代入可得：

⑤涂层体积V_c的计算公式：

涂层的体积V_c等于复合体的体积减去基体层的体积V_s，即：

⑥涂层干重m_c的计算公式：

涂层的干重m_c等于复合体的干重减去基体层的干重m_s，即：

⑦则涂层的密度公式为：

将公式(1)至(6)代入(7)得：

其中，ρ_c为涂层的密度，为复合体密度，ρ_s为基底密度，m_s为基底干重，为复合体干重。除ρ_c外，其它参数均能通过常规方法测得，由此，即可算出涂层密度ρ_c。

以下，结合具体实例进一步说明本发明的测试材料涂层密度的测试方法。

本发明的测试方法适合包括陶瓷涂层、金属涂层或玻璃涂层等的密度的测定，在本实施方式中选用陶瓷涂层作为试件的涂层。在本发明中，复合体试件体积不能小于0.4cm³。当单个样品体积小于0.4cm³，应将多个样品组成体积大于0.4cm³的试样进行测试，但每一个样品的体积不小于0.04cm³。试样表面应无污染，测试过程中无崩落。

图1为单层涂层试件横截面示意图,基体层厚度为H，涂层厚度为h。

测试单涂层试件涂层密度的具体步骤如下：

1)测量复合体试件的干重和密度

参照国家标准GB/T 25995-2010，测量复合体试件的干重，并计算复合体试件的密度；

2)测量基体层试件的干重m_s和密度ρ_s

研磨掉复合体试件上的涂层，形成基体层试件，采用与步骤1)相同的方法，测量基体层试件的干重并计算基体层试件的密度；

3)计算涂层密度ρ_c

将上述步骤1)和2)所测得的数据m_s、ρ_s代入公式(8)，即可算出涂层的密度。

以上是针对单层涂层的试件(基体层+单涂层)的涂层密度测试方法。

本发明的测量方法还可以测量多涂层复合材料(基体层+多涂层+表面涂层)中各涂层的密度。图2为测试多层涂层试件的横截面示意图，图中的h1、h2、h3分别表示三个涂层的厚度，针对有多涂层的复合体试件，若每层的密度都不同,例如梯度功能涂层,则可以每次测试出最表层那一层涂层的密度，反复运用得到各涂层的密度。

测试多涂层复合体试件涂层密度的具体步骤如下：

1)测量多层涂层复合体试件的干重和密度

参照国家标准GB/T 25995-2010，测量多层涂层复合体试件的干重，并计算多层涂层复合体试件的密度；

2)测量多层涂层复合体试件的剩余干重m_s1和密度ρ_s1

将最外表面涂层研磨掉，按上述步骤1)的方法测量复合体试件剩余干重m_s1(剩余干重＝基体层加剩余涂层的总干重)，并计算出被研磨后的试件(基体层加剩余涂层)的密度ρ_s1；

3)计算被研磨掉的表层(表面涂层)的密度ρ_c1

将上述步骤1)和2)所测得的数据m_s1、ρ_s1代入公式(8)，即可算出被研磨掉的表层(表面涂层)的密度；

4)反复以上步骤2)和3)，测试出去除第二层涂层后试件的干重m_s2、并求出第二层涂层的密度ρ_c2、其中，

5)依次类推，求出每一层涂层的密度

实施例1：单层陶瓷涂层密度的测试

试件：石墨基体层表面化学气相沉积碳化硅膜的复合体试件。

试验步骤：

1)测量计算复合体试件的干重和密度参照国家标准GB/T25995-2010，测得复合体试件的干重计算出密度

2)测量计算基体层试件的干重和密度研磨掉复合体试件上的涂层，形成基体层试件，采用与步骤1)相同的方法，测得基体层试件的干重m_s＝0.7451g，计算出基体层试件的密度ρ_s＝1.8539g/cm³；

3)计算涂层的密度ρ_c：将上述步骤得到的m_s、ρ_s数值代入公式(8)，算出该涂层的密度ρ_c＝3.1357g/cm³。

图3的(a)为复合体试件的断面形貌显微照片，图3的(b)为石墨基体层试件横截面照片。

本例计算结果与该碳化硅材料单独测试数值吻合，表明本发明的测试方法是可行的。

实施例2：多涂层陶瓷涂层密度的测试

试件：碳钢基体热障涂层试件(第一层涂层材料为抗氧化涂层，第二层涂层材料为氧化锆涂层，第三层涂层材料为镍铬合金涂层)。

试验步骤：

按照与上述单涂层密度测试相同的方法，先对初始试件测试一次干重和密度，研磨掉设定的涂层，再测剩余试件(将该剩余试件看作基体层)的干重和密度，将相关数值代入公式(8)算出被磨掉的涂层的密度，再磨掉第二层涂层，再测试剩余试件干重和密度并算出被磨掉层的密度，依次类推，试验结果见表2。

表2 多涂层试件各层的测试数据及计算结果

表2显示了试验结果，第一层涂层的密度为3.0544g/cm³，第二层涂层的密度为5.8427g/cm³，第三层涂层的密度为8.1521g/cm³。图4的(a)为多层涂层试件的电子扫描照片，图4的(b)为图4的(a)中的多涂层试件电子扫描照片的局部L的放大图。

上述计算结果与该三种涂层材料单独测试数值吻合，表明本发明的测试方法是可行的。通过本实施例2显示的具体操作，可以得到多涂层各层的密度。

综上，本发明针对这样一种现状：块体试件的干重和密度都是容易测量的量，另一方面附着在基体上陶瓷涂层很难剥离下来作为一个单质材料进行密度测试，如果能用简单的方法确定陶瓷涂层的密度将可以很方便地解决涂层密度测试的难题。技术上的考虑是：通过建立基体材料(不含涂层试件)的干重m_s、密度ρ_s，含涂层试件的干重密度和涂层本身的密度ρ_c之间的理论关系，确定涂层的密度。虽然涂层的密度ρ_c难以测试，但其他的值很容易用天平并根据国家标准GB/T 25995-2010测试得到，因此可以通过测试复合体和基体层试件的干重和密度得到涂层的密度。

本发明的核心是用传统的测试件品干重和密度的技术，通过相对法原理，获得无法直接测试的陶瓷涂层(或玻璃涂层、金属涂层)的密度。长期以来，材料性能检测人员和结构设计人员都希望有一种简便方法能测试涂层特别是陶瓷涂层的密度，本发明解决了这一难题。并且通过这种方法，可以进一步评价多层涂层的密度，也可推广到高温涂层密度测试，对陶瓷涂层的应用与发展具有重要的现实意义。

Claims (8)

1.一种测试涂层密度的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)针对由基体层和涂层组成的复合体试件，测量所述复合体试件的干重和浮重并采用阿基米德排水法计算所述复合体试件的密度

(2)研磨去除所述复合体试件上的涂层，形成基体层试件，测量该基体层试件的干重m_s和浮重m_sf，并采用阿基米德排水法计算该基体层试件的密度ρ_s；

(3)利用下列算式计算所述涂层的密度ρ_c：

<mrow> <mfrac> <mn>1</mn> <msub> <mi>&amp;rho;</mi> <mi>c</mi> </msub> </mfrac> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mover> <mi>&amp;rho;</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac> <mi>k</mi> <msub> <mi>&amp;rho;</mi> <mi>s</mi> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>k</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>

式中，

2.根据权利要求1所述的测试涂层密度的测试方法，其特征在于：

所述复合体试件的干重密度和所述基体层的干重m_s、密度ρ_s根据国家标准GB/T25995-2010获得。

3.根据权利要求1或2所述的测试涂层密度的测试方法，其特征在于：

所述涂层为单涂层。

4.根据权利要求1或2所述的测试涂层密度的测试方法，其特征在于：

所述涂层为多涂层，把最外表层看作是单层涂层，获得复合体试件的干重、密度，之后，去除最外表层，将剩余的试件看作基体层并获得其干重、密度，计算得到最外表层涂层的密度；反复以上步骤，逐层确定每层涂层的密度。

5.根据权利要求4所述的测试涂层密度的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)测量多层涂层复合体试件的干重并计算该多层涂层复合体试件的密度

(2)研磨去除最外表面涂层，测量剩余复合体试件的干重m_s1，并计算研磨后的所述剩余复合体试件的密度ρ_s1；

(3)根据步骤(1)和(2)所得的数据m_s1、ρ_s1计算被研磨掉的表面涂层的密度ρ_c1；

(4)反复以上步骤(2)和(3)，测试去除第二层涂层后的剩余复合体试件的干重m_s2，求出第二层涂层的密度ρ_c2，在求出所述第二层涂层密度ρ_c2的计算中，去除最外表层涂层后的剩余复合体试件的干重去除最外表层涂层后的剩余复合体试件的密度

(5)依次类推，求出每一层涂层的密度。

6.根据权利要求5所述的测试涂层密度的测试方法，其特征在于：

所述涂层为厚度大于20微米的涂层。

7.根据权利要求6所述的测试涂层密度的测试方法，其特征在于：

所述涂层包括镀覆在金属或陶瓷基体层表面的陶瓷涂层、金属涂层或玻璃涂层。

8.根据权利要求7所述的测试涂层密度的测试方法，其特征在于：

所述陶瓷涂层为陶瓷热障涂层或陶瓷耐磨涂层的高模量涂层材料。