CN1077027A - 材料表面薄膜与基体结合力的测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种材料表面薄膜与基体结合力 的测量方法和装置。其特征是在工作台的上方有一 特制的刀具，工作台可水平方向移动刀具可垂直方向 移动。刀具与试样表面接触，将表面薄膜从基体上剥 离下来，单位表面薄膜面积从基体上剥离下来所消耗 的功就是表面薄膜与基体的结合力。刀具所施加的 载荷和工作台的位移可分别通过力传感器和步进电 机的旋转测量出来。

Description

本发明属于力的测量领域。主要适用于材料表面薄膜与其基体的结合力。

材料的表面改性是当前材料科学的技术应用与研究的一个重要领域。利用物理的、化学的或两者相结合的方法，在材料表面附加一层或多层薄膜，以便提高材料表面的耐蚀性及耐磨性，这是材料表面改性的主要手段之一。在材料表面成膜方法中，表面薄膜与材料基体结合力的大小，对于经处理后材料的实际使用效果具有很大的影响。只有当形成的薄膜与材料基体的结合力强，才具有实用价值。因而如何在材料表面成膜后，及时对所形成的表面薄膜与基体的结合力进行准确的测量，对正确评估或进一步改进表面处理工艺，提高表面处理效果，具有重要意义。

在现有技术中，材料表面薄膜与基体结合力的测量方法有划痕法、压入法等。

中国专利CN90218138.6提供一种材料表面薄膜与基体结合力的测量仪器-划痕法薄膜附着力测定仪。该仪器的原理是采用一尖端半径很小的球形硬质材料压头，与镀有薄膜的固体接触，并加一载荷，压头从固体表面划过，以使薄膜脱落时的临界载荷为附着力大小的判据。在现有技术中，该仪器及其测量方法是测量表面膜与基体结合力较为典型和较为先进的，但仍存在一些缺点，主要是它的测试结果-结合力或临界载荷是利用其它实验手段（如声发射）间接定义出来的，实验结果有较强的主观性。

本发明的目的在于提供一种能准确测量材料表面薄膜与基体结合力的测量方法及装置。

本发明是采用刮剥法测量材料表面薄膜与基体的结合力，即利用特制刀具对材料表面薄膜进行剥离，将表面薄膜从基体上强行剥离，在此过程中所测量的从基体上剥离下来的单位表面薄膜所消耗的机械功就是材料表面薄膜与基体的结合力。

该结合力的测量在材料表面薄膜与基体结合力的测量装置上进行。待测试样水平地放在一个试样台上，该试样台由步进电动驱动，可沿水平方向（X方向）移动，剥离刀具在试样台上方，垂直试样台，可沿垂直方向（Z方向）移动，可使刀具灵敏的接触材料表面，刀具对材料表面所施加的力可分解为水平方向的力（X向力）和垂直方向的力（Z向力），X向力是材料表面薄膜从基体上剥离下来所需的力，Z向力则是刀具在剥离过程中紧贴基体表面所需的力，随着试样台的X向运动，表面薄膜连续不断地从基体上刮离下来。所施加的各方向的力通过三向力传感器输入微机，并分解出X向力和Z向力，试样台水平移动的距离（即力的作用距离）通过步进电机输入微机。由X向力乘以力的作用距离，并去除刀具与基体摩擦所消耗的功，则得到表面薄膜从基体上刮剥下来的总功，再除以表面薄膜被剥离的面积，则得到单位表面薄膜从基体上剥离下来所消耗的机械功，即两者的结合力。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

①测试结果直接反应出薄膜与基体的结合力，无需借助其它技术手段。

②由于采用先进的传感器及本装置的结构特点和智能型控制系统，使其测试结果准确，测量精度高。

③本发明装置除了采用刮剥法外，还可采用划痕法、压入法测量表面薄膜与基体的结合力;另外，本发明还可用于低载荷、高精度的机械性能试验，如工程陶瓷试样的三点或四点弯曲试验以及软质材料的浅层切削。

现结合附图对本发明作进一步说明。

附图1为本发明材料表面薄膜与基体结合力测量装置的结构示意图。

附图2为本发明表面薄膜与基体结合力测量过程中的位移（△l）与载荷（P）的关系曲线图。

图1中，1为光栅传感器定尺（即们移传感器），2为光栅传感器的“滑动尺”，3为悬臂，4为高精度三向力传感器引线引出端，5为刀架，6为工作台的y向手动进给旋钮，7为工作台的X向滑动导轨，8为工作台，9为悬臂垂直运动导轨及立柱，10为联轴器，11为步进电机（2台），12为试验机支脚，13为步进电机机架，14为试验机底座，24为试验机的智能控制器，25为数据处理与控制系统，21、22、23分别为位移传感器1、力传感器4和步进电机11与智能控制系统的连接线。

本发明材料表面薄膜与基体结合力的测量装置由上述图中所示的零部件组成。

附图1中，15为刀具，16为待测试样（或工件）。

光栅传感器“定尺”（位移传感器）1固定在立柱9上;光栅传感器的“滑动尺”2固定在悬臂3上，悬臂3可沿导轨9上、下（Z向）移动;刀架5固定在悬臂3上，刀架5的端部装有三向力传感器4，刀具15装配在刀架5上，刀架5通过步进电动驱动可上、下（Z向）运动;试样（或工件）16放置在工作台8上，工作台8通过步进电机11和手动进给旋钮6可沿X、Y方向移动;悬臂3的Z向移动也通过另一步进电机带动;刀架5沿Z向移动的距离可通过“定尺”1和“滑动尺”2组成的高精度光栅进行测量和控制。

附图2中，纵座标为刀具施加于表面薄膜与基体结合面的载荷P（切向载荷，横座标为工作台8（即试样）沿X方向的位移△l（mm），a为P与△l的关系曲线。

本发明的测量过程如下：

试样制备时，在涂镀表面薄膜的试样（或工件）表面预留一无膜区。试样（或工件）平放在工作台8上，通过步进电机11调节刀架及工作台8，使得刀具沿Z向下降，降至其刀具刃部刚刚接触试样表面的无膜区。

测量时，由步进电机11驱动工作台8沿X方向移动，同时刀架5也在步进电机11的驱动下对试样表面施加一定的预载，刀具在试样表面以及垂直方向预载的约束下，随着工作台8的运动，刀刃切入表面薄膜与基体的结合面，在切向载荷作用下表面薄膜从基体上剥离下来。这时刀具要施加的切向载荷就是表面薄膜从基体上剥离下来所需的载荷以及刀具克服与基体的摩擦所需载荷的总和。这一载荷通过三向力传感器4及连接线22输入智能控制器24;与此同时，工作台8沿X方向的移动距离也通过步进电机11及连接线23输入智能控制器24，智能控制器24将上述所输入的电压信号转换成数字信号，输进数据处理与控制系统25，经处理后，即可得到如图2所示的位移△l与载荷P的关系曲线a。

由图2看出，曲线a下的阴影区，即为剥离表面薄膜与基体结合面所消耗的总功。该总功除以被剥离的表面薄膜与基体结合面的总面积，则得单位表面薄膜从基体上剥离下来的所消耗的功，即为表面薄膜与基体的结合力。

图2中，bc线至横座标轴所辖面积为刀具在剥离过程中克服刀具本身与基体表面的摩擦力所消耗的功。

本发明中，将刀具换成硬质材料压头，并配上声发射装置，则可采用划痕法或压入法对材料表面薄膜与基体的结合力进行测量。

Claims (5)

1、一种材料表面薄膜与基体结合力的测量方法，其特征是：在涂镀有表面薄膜的试样(或工件)表面预留一无膜区，试样(或工件)平放在工作台8上；通过步进电机11调节刀架5和工作台8，使刀具刃部沿Z向降至试样表面的无膜区；由步进电机11驱动工作台8沿X方向移动，同时刀具对试样表面施加一定预载，随着工作台8的移动，刀刃切入表面薄膜与基体的结合面，在切向载荷P的作用下，使表面薄膜从基体上剥离下来；这一载荷通过三向力传感器4及连接线22输入智能控制器24，与此同时，工作台8沿X方向的位移也通过步进电机11及连接线23输入智能控制器24；智能控制器24将上述所输入的电压信号转换成数字信号，输进数据处理与控制系统25，经处理后，即可得到沿切向方向(X方向)剥离表面薄膜所消耗的功，或位移△l与切向载荷P的关系曲线a；X方向所消耗的功除以被剥离的表面薄膜与基体结合面的总面积，则得到单位表面薄膜从基体上剥离下来所消耗的功，即为表面薄膜与基体的结合力。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征是刀架5沿Z向移动的距离可通过高精度光栅传感器进行测量和控制。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征是将刀具换成硬质材料压头，并配上声发射装置，则可采用划痕法或压入法对材料表面薄膜与基体的结合力进行测量。

4、一种利用权利要求1所述的方法，测量材料表面薄膜与基体结合力的装置，包含有试验机底座14、工作台8、悬臂垂直运动导轨及立柱9、悬臂3，其特征是该装置还包含有能测量和控制刀架沿X向移动的光栅传感器“定尺”1和“滑动尺”2、测量刀具施加载荷的三向力传感器4、驱动和测量工作台8沿X方向位移以及驱动上悬臂3沿Z方向位移的步进电机11、试验机的智能控制器24、以及数据处理和控制系统25。

5、根据权利要求3所述的装置，其特征是三向力传感器4装配在刀架5的端部;光栅传感器“定尺”1固定在立柱9上，光栅传感器“滑动尺”2固定在上悬壁3上。

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