CN1215320C - 界面结合强度激光冲击定量测定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光技术和材料性能测试领域，特指一种界面结合强度的激光冲击定量测定方法及装置，适用薄膜或胶粘剂的附着力的测定、各种复合材料界面结合强度的测定。其将激光器发出的激光束通过外光路系统冲击等边直角三棱柱或其变形体的试样体系表面后，形成高幅压缩应力波，经试样斜面反射后转换成拉伸应力波，再作用界面，产生界面单纯拉伸剥离，而干涉测量光束经分光镜分成两路分别作用在试样的斜面和直角面上实现两点干涉，同时采用触发开关控制双通道示波器的开启，应力波信号由示波器传输到计算机处理终端进行分析处理。应用本装置可利用试样斜面上应力波形的转换，在待测直角面乃至整个下部区域形成单纯拉伸应力区。

Description

界面结合强度激光冲击定量测定方法及装置

技术领域

本发明涉及激光技术和材料性能测试领域，特指一种界面结合强度的激光冲击定量测定方法及装置，其适用薄膜或胶粘剂的附着力的测定、各种复合材料如层板型复合材料的平面界面、颗粒增强复合材料的球形界面以及纤维增强复合材料中圆柱型界面的拉伸强度的定量测定，以及其它类型的界面结合强度的测定。

背景技术

界面结合强度在界面科学研究中至关重要，但是如何直接、定量测定界面结合强度至今仍然是困扰世界各国科学家的难题。准确说，只有界面拉伸强度才反映真实的界面结合强度，然而实验定量、直接测定的界面拉伸强度非常困难。目前，界面结合强度的表征，主要根据体系的宏观易测性能和断口金相分析来间接评估。不同界面拉伸强度的薄膜体系宏观上表现出不同的界面剪切强度，所以通常用宏观易测的界面剪切强度间接表征界面结合强度。现有的测定方法大都是测定界面剪切强度，即建立一个非弹性过程开始的临界应力值。但不同的正应力和切应力组合可以激发相同的过程，这一事实使问题变得复杂。迄今为止，提出的测定方法虽多达二十余种，如拉伸法、压痕法、划痕法、弯曲法及断裂力学法等。但每种方法都在测量技术和力学计算上都存在局限性和尚待解决的问题。

界面只有在单纯拉应力作用下直接剥离，测得的断裂临界值才能真正反映界面真实结合强度，而激光层裂技术为此提供了可能。激光层裂法定量测定平面型薄膜界面结合强度是由美国麻省理工学院的Gupta等人率先开展，并在Dartmouth College申请专利：System and method for measuring theinterface tensile strength of planar interfaces，批准号为US5438402。其原理是应用短脉冲激光(脉宽一般为2ns-8ns)冲击试样，依靠从自由表面反射形成的拉伸波与入射压缩应力波在界面处相遇时受拉产生层裂，但几乎所有研究都是定性的。他们应用多普勒干涉仪在试样背侧采用一点干涉对心接受到达自由表面上的应力波(记录的为速度波形)，再据此采用拟合的方法得到估计的激光冲击产生的入射应力波波形，将其作为已知条件结合输入有限元计算得到界面层裂强度。国外的其它学者如瑞士的Sigrit(Optical Engineering.1995，34(7)：1916-1922)、法国的Sartori(Surface and CoatingsTechnology.1998，106：251-261)等，国内的个别学者(材料研究学报，1996，10(4)，393～396)都仿照Gupta工作进行了研究，他们都得到不同基体和薄膜体系的薄膜层裂的临界激光冲击入射能量阀值，但是没有计算界面结合强度，主要原因是由于激光与材料耦合产生高幅应力波的过程复杂，以激光冲击参数和材料物性参数为输入条件，目前无法建立相对正确、又统一的应力波计算模型。

所以现有的激光层裂技术，它在测量原理和力学计算上仍然存在一些根本性的错误和无法解决的问题：

1.包辛格效应无法避免(材料研究学报，1996，10(4)，393～396)。平板型试样导致薄膜层裂过程中总是先承受压应力再承受拉应力，因为它只能依靠入射压缩应力波在后自由表面反射形成拉伸应力波，其与入射压缩应力波在界面处叠加，产生剥离，无法形成单纯拉伸应力区。因此包辛格效应对测定结果的影响无法排除，导致测量值偏大。

2.测量结果不直接反映界面结合强度。在层裂判别问题上，目前必须通过显微镜，仅能观察到薄膜既开裂又剥落的情况，对于薄膜脱粘和裂纹扩展的情况无法检测。因此现有的测量结果均是界面层裂强度和薄膜断裂能的综合结果。从对应的激光入射能量大小看，薄膜剥落的是未剥落的2-6倍，故测量结果严重偏大。此系测量原理缺陷造成。

3.薄膜表面一点干涉测量界面后自由表面应力波，无法得到入射应力波幅值和波形，计算中只能采用拟合波形或估计波形，不然只能用激光入射能量临界值定性表征。而且，现有技术只能测定平面型界面。

4.层裂强度计算存在错误。现有技术首先应用低幅激光入射得到理想应力波波形，再将实测的自由表面应力史数据与该理想的完整的应力波波形拟合，其结果作为输入进行计算或数值模拟和有限元分析。该过程一方面失去了实测波形中的薄膜层裂信息，另一方面造成输入条件不确定问题，其计算结果同样存在较大偏差。

5.薄膜厚度受限只能是几微米甚至更薄。因为界面的剥离必须依赖经薄膜自由表面反射的拉伸应力波，同时这种层裂机制对薄膜的厚度也带来限制，一般仅能检测很薄的几个微米的薄膜。

6.不符合实际应用，因为在试验中，必须采用一系列不同功率的激光束冲击一系列同一种试样，来摸索薄膜层裂的临界激光入射能量阀值，再估算层裂强度。由于不同试样的薄膜结合强度的波动性，以及激光与材料耦合的复杂性，加之层裂判别的手段匮乏，造成这一工作只能局限于定性的实验室研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种能克服上述缺点，可以更直接、更科学的准确实现界面结合强度激光冲击定量测定的方法及装置。其适用薄膜、涂层、胶粘剂和各种复合材料等的界面结合强度的测定。

本发明是按下述技术方案实现的：

将激光器发出的激光束通过外光路系统冲击试样体系表面，其特征在于激光束冲击等边直角三棱柱或其变形体的试样后，形成高幅压缩应力波，经试样斜面反射后转换成拉伸应力波，再作用界面，产生界面单纯拉伸剥离，同时应力波信号由示波器传输到计算机处理终端进行分析处理。

干涉测量光束经分光镜分成两路分别作用在试样的斜面和直角面上实现两点干涉。采用触发开关控制双通道示波器的开启。

实现该方法的装置，包括激光器、外光路系统、工装夹具系统、试样体系、干涉仪、示波器、控制系统、计算机处理终端，其特征在于试样体系为等边直角三棱柱或其变形体。试样体系表面贴设由透明约束层和能量吸收层组成的一体式柔性贴膜，示波器为双通道示波器，工装夹具系统由安装试样体系的下夹板和带直角凹槽的压紧螺杆组成。

其工作过程按下述步骤进行：

(1)由激光器发出的激光束通过外光路系统垂直冲击安装在夹具中的呈等边直角三棱柱或其变形体的待测试样的一个直角表面，粘贴该面上的柔性贴膜受到激光诱导的冲击波作用产生向试样内部传播的高幅压缩应力波；

(2)高幅压缩应力波首先沿入射直角面法向向三棱柱试样斜面传播，当压缩应力波传播到试样斜面时，经反射转变成拉伸应力波，并垂直于应力波入射方向向试样的另一直角面垂直传播，并在该直角面上同时到达，由于冲击面中各点应力波传播的路程相同，冲击波的衰减合乎相结构变化均保持一致，此后以平面波形式继续传播。

(3)转换的拉伸应力波首先垂直作用在待测界面上，导致界面在单纯拉伸应力作用下直接剥离，处于临界状态时的界面层裂应力即为界面拉伸强度，也即界面结合强度。

(4)在激光器发出激光束的同时，触发开关同时或定量延时开启高频双通道示波器(500M或1G以上)，且在斜面和待测直角面下的自由表面，干涉仪以双点干涉在线实时接受的界面拉伸剥离前后的斜面和底面上的质点位移史或速度史(如果采用位移干涉仪，将记录信号微分得到速度史，再根据应力波理论计算转换成应力史)，传输到双通道示波器，得到界面剥离前后应力波信号。

(5)将记录得到的界面剥离前后应力波信号，作为数值解析和有限元分析模拟过程中的输入条件。同时作为比较，可以利用界面剥离后应力波波形携带的层裂信息，利用时-频分析和波形分析，可以准确确定层裂时刻、层裂深度、层裂面大小，判定薄膜层裂所处阶段(薄膜脱粘、裂纹扩展、薄膜剥落)，取临界状态的界面拉伸剥离应力即为界面拉伸强度，因此实现单次冲击、一次测定。

试样体系由工件表面贴设构成一体式的透明约束层和能量吸收层的柔性贴膜。激光器内的调制器产生的激光束的脉冲宽度为1ns-10ns，波长1064纳米、532纳米或更小。调节激光脉宽、能量、光束直径等参数来调整产生的应力波的大小。

本发明提出薄膜和复合材料的界面结合强度的实验定量测试方法，对于平面型界面，在拉伸应力波作用下，临界剥离的拉伸应力即为界面结合强度。对于颗粒增强复合材料和纤维增强复合材料，在层裂面上，球形界面、圆柱形界面以及其它形状的界面按特定分布规律周期或非周期地分布在层裂面上。根据其分布特征，应用数学解析、有限差分或有限元的方法，将层裂面上的层裂应力分解到各个待测界面上，从而得到待测界面的结合强度。

本发明具有如下技术优势：

(1)彻底消除了传统测试方法中无法避免的包辛格效应。应用本装置可利用试样斜面上应力波形的转换，在待测直角面乃至整个下部区域形成单纯拉伸应力区，在此区域内设计待测界面，界面将产生单纯拉伸剥离，实现了界面受力状态由先受压应力再受拉应力转换成为先受拉应力。从而从根本上消除了包辛格效应，原理更科学，结果更准确。

(2)以两点干涉(斜面和直角面)的方法接受界面前后作用的应力波信号，并将其作为已知条件，这解决了数值模拟和有限元分析中激光冲击产生的应力波无法定量确定的难题。

(3)实现单次冲击一次测定界面结合强度，无须拟合计算入射应力波。同时可以利用层裂后应力波波形携带的层裂信息，利用时-频分析和波形分析，可以准确确定层裂时刻、层裂深度、层裂面大小，判定薄膜层裂所处阶段(薄膜脱粘、裂纹扩展、薄膜剥落)，实现单次冲击一次测定薄膜结合强度。

(4)薄膜和涂层无厚度限制。由于界面又是首先承受拉伸应力，而且应力波的上升沿很小，约1-5纳秒，故对薄膜的厚度也没有任何要求，理论上可以检测无穷厚。

(5)除可测定平面型界面结合强度以外，还可测定颗粒增强或纤维增强复合材料中的非连续、非规则排列的界面结合强度。

(6)在工件表面采用柔性贴膜，其具有能量吸收层及约束层的双重功能。这种双层柔性贴膜覆盖待处理直角表面，不仅提高了激光能量利用率，而且使激光冲击便捷、高效、低成本。

附图说明

图1界面结合强度激光冲击定量测定系统装置示意图

图2三棱柱型薄膜或涂层试样体系示意图

图3三棱柱变形体薄膜或涂层试样体系示意图

图4三棱柱型复合材料试样体系示意图

图5复合材料层裂面上界面应力分解示意图

图6工装夹具和试样体系装配示意图

1激光器  2分光镜  3含衰减器的导光和分光系统  4聚焦镜  5脉冲激光束  6一体化柔性贴膜的透明约束层  7一体化柔性贴膜的能量吸收层  8反射镜  9试样体系  10反射镜  11分光镜  12干涉测量光束  13位移干涉仪  14计算机终端  15示波器  16光电二极管触发开关  17基体  18斜面  19干涉信号接受底面  20待测界面  21薄膜或涂层  22反射拉伸应力波  23入射压缩应力波24虚三棱柱直角面  25层裂面  26复合材料增强纤维  27层裂应力，  28上夹板  29压紧螺杆  30下夹板

实施方式

下面结合附图详细说明本发明提出的测试方法与装置的细节和工作情况，以及其与传统测试方法的区别。

本发明提出的装置由激光器1、外光路系统、工装夹具系统、试样体系9、干涉仪13、示波器15、控制系统、计算机数据处理终端14组成。外光路系统包括由分光镜2、含衰减器的导光和分光系统3、聚焦镜4组成的入射脉冲激光束光路系统及由分光镜11、反射镜8、10组成的干涉光束光路系统，工装夹具系统由安装试样体系9的上夹板28、下夹板30和带直角凹槽的压紧螺杆29组成，控制系统包括光电二极管触发开关16。试样体系9呈三棱柱形式，其一直角表面贴设由透明约束层6和能量吸收层7组成的一体式的柔性贴膜，并经由分光镜2经脉冲激光束5依次与导光和分光系统3及聚焦镜4相连构成的入射脉冲激光束光路系统与激光器1相连，位移干涉仪13发出的干涉测量光束12经分光镜11分别与反射镜8、10相连并分成二路，分别作用在试样体系9的斜面和另一直角面上，实现位移干涉仪13与试样体系9的连接。双通道示波器15一端与位移干涉仪13相连，接收应力波信号，其另一端与计算机数据处理终端14相连，将应力波信号传输出去，光电二极管触发开关16一端经光路与分光镜2相连接受激光束信号，另一端与双通道示波器15相连控制其开启。

本发明的方法为激光器1发出的入射激光束5经聚焦后直接辐射试样体系9的柔性贴膜能量吸收层7，其瞬时汽化并形成高温等离子体，它们膨胀受柔性贴膜中透明约束层6的限制，这样，等离子体剧烈升温进而剧烈爆炸，产生向试样体系9内部传播的入射压缩应力波23。此时冲击波沿等边直角三棱柱试样中特定的路径传播，当它传播到试样斜面18时，经反射转变成拉伸应力波22，并垂直于冲击波入射方向向试样的另一直角面传播，并同时到达该直角面。这样转换后的拉伸应力波首先作用在待测界面20上，界面在拉伸应力作用下直接剥离。在激光器1发出脉冲激光束5的同时，光电二极管触发开关16同时或定量延时开启示波器15，位移干涉仪13在线实时接受记录界面层裂前后的应力波。计算机处理终端14计算得到界面层裂应力史，取临界界面剥离值，即为界面拉伸强度。

图2是试样体系示意图。由透明约束层6和能量吸收层7组成的一体化柔性贴膜紧紧附在试样基体17的一个直角面上，在试样基体17的另一个直角面上设计平行与该直角面的待测界面20。

图3是另一试样体系实施例的示意图，其在等边直角三棱柱下方延长，增加一个矩形区域称之为虚三棱柱，薄膜或涂层21的干涉信号接受底面19处于该区域下方，该区域即为单纯拉伸应力区。

图4是复合材料试样体系示意图。试样体系形状不变，只是在试样体系9中不存在平面界面，层裂面25由实验后决定，根据经斜面反射后的拉伸应力波在经过下方的直角边以后已经转变成平面拉伸应力波，因此层裂面25仍然平行于虚三棱柱直角面24。

图5是复合材料的界面结合强度的实验定量分解示意图，对于颗粒增强复合材料和纤维增强复合材料，在层裂面25上，圆柱形增强纤维26的界面以及其它形状的界面按特定分布规律周期或非周期地分布在层裂面上。根据其分布特征，应用数学解析、有限差分或有限元的方法，将层裂面上的层裂应力27分解到各个待测界面上，从而得到待测界面的结合强度。

图6是工装夹具示意图。试样体系9安装在下夹板30上，上部被带直角凹槽压紧螺杆29经上夹板28顶紧。底部和右侧面用于检测干涉测量光束12入射，左侧面用于脉冲激光束5入射。

不同的试样体系形式的变化都可能实现不同的测量，这里仅阐明它的技术方案和部分实施例。

Claims (6)

1.一种界面结合强度激光冲击定量测定方法，其将激光器发出的激光束通过外光路系统冲击试样体系表面，其特征在于激光束冲击等边直角三棱柱或其变形体的试样后，形成压缩应力波，经试样斜面反射后转换成拉伸应力波，再作用界面，产生界面单纯拉伸剥离，消除Baushinger效应，同时将干涉测量光束经分光镜分成两路分别作用在试样的斜面和直角面上实现两点干涉，应力波信号由示波器传输到计算机处理终端进行分析处理。

2.根据权利要求1所述的界面结合强度激光冲击定量测定方法，其特征在于采用触发开关控制双通道示波器的开启。

3.实现权利要求1所述的界面结合强度激光冲击定量测定方法的装置，其包括激光器(1)、外光路系统、工装夹具系统、试样体系(9)、干涉仪(13)、示波器(15)、控制系统、计算机数据处理终端(14)，其特征在于试样体系(9)为等边直角三棱柱或其变形体。

4.根据权利要求4所述的界面结合强度激光冲击定量测定方法的装置，其特征在于试样体系(9)表面贴设由透明约束层(6)和能量吸收层(7)组成的一体式柔性贴膜。

5.根据权利要求4所述的界面结合强度激光冲击定量测定方法的装置，其特征在于示波器为双通道示波器(15)。

6.根据权利要求4所述的界面结合强度激光冲击定量测定方法的装置，其特征在于工装夹具系统由安装试样体系的下夹板(30)和上夹板(28)及带直角凹槽的压紧螺杆(29)组成。

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