CN110455711B - 一种聚合物涂层材料界面结合强度测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚合物涂层材料界面结合强度测试装置，包括基体，所述基体的端面装设有固定基座，所述固定基座内自下上开设有基底固定插销孔，所述基体内自上而下横向开设有巴西圆盘试件导轨和拉伸板导轨，所述巴西圆盘试件导轨和拉伸板导轨远离固定基座的一端为敞口式设计，所述基体的内部且位于巴西圆盘试件导轨的上方开设有观测窗口；通过设计了本装置，可以有效避免试件在拉伸过程中产生扭转，以保证测量结果的准确性，且可以通过巴西圆盘试件导轨可以保证在加载过程中显微镜拍照不产生虚焦现象，本装置还可以保证在进行变角度实验时，显微镜拍摄图像时不会发生界面处被遮挡的现象，为实验的丰富性提供了保障。

Description

一种聚合物涂层材料界面结合强度测试装置

技术领域

本发明属于实验力学测试装置技术领域，具体涉及一种聚合物涂层材料界面结合强度测试装置。

背景技术

在涂层材料的服役过程中，薄膜与基底之间的结合性能直接影响着薄膜的服役时间，而薄膜的防腐、耐磨以及抗氧化等性能也都会受到结合强度的影响，因此，对膜/基系统的界面结合强度进行测定是评测薄膜质量的重要环节。常见的测定结合强度的方法可分为两类：载荷法与能量法。

像热障涂层类的偏硬涂层可使用能量法进行测试，能量法主要是获取薄膜脱粘时的断裂能来测定界面的结合性能。由于断裂能很难用实验的方法直接得到，所以该方法通常会与理论分析相结合，得到能量释放率，以此进一步表征界面结合能力的强弱。常见的能量法测试方法包括四点弯曲法、鼓泡法等。但是对于环氧类聚合物来说，实验过程中基本无法得到裂纹扩展信息，因此能量法很难用于环氧涂层的界面性能表征。

对于环氧等偏软的材料的界面结合强度测试，现在使用更多的是载荷法。载荷法通常是对施加一个力进行测定，该力平行或垂直施加于界面(如常见的拉伸和剪切实验)。如Argawal和Raj曾提出一种金属/陶瓷界面结合强度的拉伸测试法，但是该法存在一定的局限性，实验结果常常会受到剪切分量的干扰。对于划痕法来说，因为实验测试中评判界面分离的方法不同，常常会得到不同的临界载荷，导致实验结果并非完全等同于材料的实际性能，并且实验结果也容易被许多外界因素影响，使得该方法得到的载荷数值的物理意义尚不明确。

传统的界面结合强度测试方法大多是在单一应力状态下进行测试的，然而，对于聚合物涂层材料而言，由于聚合物涂层在实际工程服役环境中会受到多种复杂的摩擦力作用，因此，单一的应力状态的测试方法不能很好的表现出聚合物涂层的真实受力状态。基于此，X.Q.Shi等提出了一种可以利用数字图像相关技术(DIC)获取局部变形场信息，并利用双材料界面开裂的理论方法推导界面结合强度的方法。该方法通过制作特定的巴西圆盘试件，在试件中填充聚合物材料并制作预制裂纹，而后在试件表面制作散斑，在进行拉伸实验的同时利用显微镜拍摄界面处图像，并用DIC计算其位移场并推导其界面结合强度。

然而，该方法存在一定的问题，当使用拉伸机对试件直接进行拉伸时，在拉伸过程中试件可能产生旋转、扭转以及离面运动，会造成显微镜镜头对焦产生虚焦进而影响测量结果；其次，在微尺度下进行测量时，由于拉伸机拉头较大，而试件尺寸较小，因此在进行变角度测量时，可能会造成拉伸机拉头遮挡试件界面的现象，为此我们提出一种聚合物涂层材料界面结合强度测试装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种聚合物涂层材料界面结合强度测试装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种聚合物涂层材料界面结合强度测试装置，包括基体，所述基体的端面装设有固定基座，所述固定基座内自下上开设有基底固定插销孔，所述基体内自上而下横向开设有巴西圆盘试件导轨和拉伸板导轨，所述巴西圆盘试件导轨和拉伸板导轨远离固定基座的一端为敞口式设计，所述基体的内部且位于巴西圆盘试件导轨的上方开设有观测窗口，所述观测窗口朝向固定基座的一端开设有试件固定孔，所述巴西圆盘试件导轨的底壁开设有拉伸插销导轨，所述拉伸插销导轨与拉伸板导轨相连接。

优选的，所述拉伸板导轨的内侧插设有拉伸板，所述拉伸板内朝向固定基座的一端开设有试件拉伸孔，所述拉伸板内远离试件拉伸孔的一侧开设有拉伸机拉伸孔。

优选的，所述观测窗口的宽度大于巴西圆盘试件的宽度。

优选的，所述观测窗口与巴西圆盘试件导轨相连接。

优选的，所述拉伸板导轨的尺寸与拉伸板相匹配。

优选的，所述观测窗口远离固定基座的一端为敞口式设计。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)通过设计了本装置，在进行拉伸实验时，随着加载力的增大，试件沿预制裂纹开裂时，试件可能不会理想的只产生面内运动，由于试件制作过程中制作工艺所造成的试件微小缺陷可能会导致试件在拉伸时产生扭转现象，进而导致开裂不能按照理想的预定情况进行开裂，本装置的设计可以有效避免试件在拉伸过程中产生扭转，以保证测量结果的准确性。

(2)在拉伸试验时，试件还可能产生离面运动，即试件发生前后晃动，对于微尺度下的变形测量，微小的离面位移也会导致显微镜镜头对焦产生虚焦，进而影响测试结果，本装置可以通过巴西圆盘试件导轨可以保证在加载过程中显微镜拍照不产生虚焦现象。

(3)本装置还可以保证在进行变角度实验时，显微镜拍摄图像时不会发生界面处被遮挡的现象，为实验的丰富性提供了保障。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1为本发明装置所夹持的巴西圆盘试件示意图；

图2为本发明的聚合物涂层材料界面结合强度测试装置的示意图；

图3为本发明装置的基体示意图；

图4为本发明基体的俯视图；

图5为本发明装置对试件的三种加载方式示意图；

图6为本发明装置测试的界面应力强度因子分布图。

图中：1、基体；2、巴西圆盘试件导轨；3、拉伸插销导轨；4、拉伸板；5、拉伸机拉伸孔；6、试件拉伸孔；7、固定基座；8、基底固定插销孔；9、试件固定孔；10、观测窗口；11、拉伸板导轨。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1-图6，本发明提供一种技术方案：一种聚合物涂层材料界面结合强度测试装置，包括基体1，基体1的端面装设有固定基座7，固定基座7内自下上开设有基底固定插销孔8，基体1内自上而下横向开设有巴西圆盘试件导轨2和拉伸板导轨11，巴西圆盘试件导轨2和拉伸板导轨11远离固定基座7的一端为敞口式设计，基体1的内部且位于巴西圆盘试件导轨2的上方开设有观测窗口10，观测窗口10与巴西圆盘试件导轨2相连接，观测窗口10远离固定基座7的一端为敞口式设计，观测窗口10朝向固定基座7的一端开设有试件固定孔9，巴西圆盘试件导轨2的底壁开设有拉伸插销导轨3，拉伸插销导轨3与拉伸板导轨11相连接。

本实施例中，优选的，拉伸板导轨11的内侧插设有拉伸板4，拉伸板4内朝向固定基座7的一端开设有试件拉伸孔6，拉伸板4内远离试件拉伸孔6的一侧开设有拉伸机拉伸孔5，拉伸板导轨11的尺寸与拉伸板4相匹配，保证拉伸板4在拉伸板导轨11中运动时不会产生晃动。

本实施例中，优选的，观测窗口10的宽度大于巴西圆盘试件的宽度，以保证在不同加载角度下，试件的界面均可观察到。

本实施例中，优选的，基体1通过固定基座7与拉伸机基座相连接，拉伸板4在基体1内可沿着拉伸板导轨11运动，其中拉伸板4通过拉伸机拉伸孔5与拉伸机相连接，通过试件拉伸孔6与试件相连接。

本实施例中，优选的，巴西圆盘试件导轨2可以容纳巴西圆盘试件，且巴西圆盘试件可沿着巴西圆盘试件导轨2运动，通过巴西圆盘试件导轨2和拉伸插销导轨3可以限制巴西圆盘试件在拉伸过程中不发生扭转以及前后晃动。

本实施例中，优选的，巴西圆盘试件通过试件固定孔9与基体1相连接，通过试件拉伸孔6与拉伸板4相连接，形成底部固定约束，上侧进行拉伸的实验状态，通过拉伸机拉动拉伸板4，进而带动试件产生沿巴西圆盘试件导轨2方向的运动。

本发明实施例所提供的聚合物涂层材料界面结合强度测试装置，其具体使用步骤如下：

A)、首先需要加工得到巴西圆盘试件，试件示意图如图1所示；

B)、对处理后的试件制备散斑，采用粒径3微米的碳粉涂覆于试件表面制成散斑；

C)、将已经制备好表面散斑的巴西圆盘试件按照不同的加载角度放置于测试装置中，不同测试角度下试件放置方式如图5所示；

D)、将如图2所示组装好的测试装置置于拉伸机上，下端通过固定基座7和基底固定插销与拉伸机底座相连接，上端通过拉伸板4上的试件拉伸孔6与试件相连接；

E)、对试件按预设参数进行加载，加载过程中使用超景深显微镜对准观测窗口10观察试件界面处，并拍摄图像；

F)、将拍摄的图像用DIC进行计算，获取其变形信息；

G)、提取DIC计算得出的数据以及拉伸机数据，利用双材料界面开裂的理论方法推导其界面应力强度因子。

本装置的具体组装方法如下：

如图3所示，将试件放入巴西圆盘试件导轨2中，根据如图5所示不同加载方式调整试件位置，确定试件加载方式后，将试件下侧加载拉伸孔通过插销与图3中所示的试件固定孔9相连接，而后将拉伸板4沿图3中所示的拉伸板导轨11插入基体1中，结果如图2所示。

而后，将拉伸板4通过图2中所示的试件拉伸孔6经由3所示的拉伸插销导轨用插销与试件上半部分对应的拉伸孔相连接。

待装置组装完毕后，将其整体通过图2中所示的固定基座7插入拉伸机底座中，而后通过图2中所示的基底固定插销孔8利用插销将本装置与拉伸机底座紧密连接，随后调整拉伸机上部拉头位置，将拉伸机拉头通过图2中所示的拉伸机拉伸孔5与本装置相连接。

本实施例中，优选的，本发明的工作原理及使用流程：

针对环氧树脂材料，利用巴西圆盘测量其界面结合强度。

制作典型的巴西圆盘试件，在试件下半部分测试界面处左侧粘贴4mm透明胶带作为预制裂纹，而后采用空气喷涂法在试件中喷涂填充环氧树脂材料，固化后磨去多余树脂材料，形成如图1所示的用于实验的试件，在试件观测面涂上粒径3μm的碳粉作为散斑，备用。

将制备好的试件按图5中90°加载方式所示置于巴西圆盘试件导轨2中，将试件下侧加载拉伸孔通过插销与试件固定孔9相连接，而后将拉伸板4沿拉伸板导轨11插入基体1中，然后将拉伸板4通过试件拉伸孔6经由拉伸插销导轨3用插销与试件上半部分对应的加载拉伸孔相连接，待装置组装完毕后，将其整体通过固定基座7插入拉伸机底座中，而后通过基底固定插销孔8利用插销将本装置与拉伸机底座紧密连接，随后调整拉伸机上部拉头位置，将拉伸机拉头与通过拉伸机拉伸孔5与本装置相连接。

待整体连接完毕后，对试件预加载，产生加载力后，暂停拉伸，将超景深显微镜镜头对准待测试件界面处，保证试件待测界面处位于显微镜视野中央，调整显微镜，使得试件界面处在显微镜视野中保持水平，待焦距调试完成后，将拉伸机按照预设参数进行向上拉伸，拉伸同时利用超景深显微镜采集界面处图像，直至试件界面处完全断裂，停止实验，保存数据，利用DIC计算界面处位移场，并利用双材料界面开裂的理论方法推导其界面应力强度因子。

利用DIC计算可以得出的试件界面处的U场和V场位移云图，提取其数据后计算出的界面应力强度因子如图6所示，为验证实验的准确性，利用ABAQUS进行了相应的有限元模拟，从图6可以看出，实验结果与有限元模拟结果吻合度较高，验证了本测试的准确性。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种聚合物涂层材料界面结合强度测试装置，包括基体(1)，其特征在于：所述基体(1)的端面装设有固定基座(7)，所述固定基座(7)内开设有基底固定插销孔(8)，所述基体(1)内自上而下横向开设有巴西圆盘试件导轨(2)和拉伸板导轨(11)，所述巴西圆盘试件导轨(2)和拉伸板导轨(11)远离固定基座(7)的一端为敞口式设计，所述基体(1)内且位于巴西圆盘试件导轨(2)的上方开设有观测窗口(10)，所述观测窗口(10)朝向固定基座(7)的一端开设有试件固定孔(9)，所述巴西圆盘试件导轨(2)的底壁开设有拉伸插销导轨(3)，所述拉伸插销导轨(3)与拉伸板导轨(11)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种聚合物涂层材料界面结合强度测试装置，其特征在于：所述拉伸板导轨(11)的内侧插设有拉伸板(4)，所述拉伸板(4)内朝向固定基座(7)的一端开设有试件拉伸孔(6)，所述拉伸板(4)内远离试件拉伸孔(6)的一侧开设有拉伸机拉伸孔(5)。

3.根据权利要求1所述的一种聚合物涂层材料界面结合强度测试装置，其特征在于：所述观测窗口(10)的宽度大于巴西圆盘试件的宽度。

4.根据权利要求1所述的一种聚合物涂层材料界面结合强度测试装置，其特征在于：所述观测窗口(10)与巴西圆盘试件导轨(2)相连接。

5.根据权利要求1或2所述的一种聚合物涂层材料界面结合强度测试装置，其特征在于：所述拉伸板导轨(11)的尺寸与拉伸板(4)相匹配。

6.根据权利要求1所述的一种聚合物涂层材料界面结合强度测试装置，其特征在于：所述观测窗口(10)远离固定基座(7)的一端为敞口式设计。

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