新型多功能膜基结合力测定仪的研制

1、        摘要采用改进划痕法原理及切向力检测临界载荷方法，研制了一种新型多功能膜基结合力测定仪。该仪器结构新颖，实用简便，不仅能测定金属膜层与基体的结合强度，还能对金属膜层进行模拟单颗粒磨损试验。试验表明，该仪器具有较高的可靠性。关键词仪器；膜基结合力；测定1引言膜层与基体的良好结合是膜层得以发挥其作用的基本条件。由于膜层非常薄，如果膜基结合力不足够强，则在应用环境下就容易脱落，无法保持持续使用。所以，足够强的膜基结合力是保证膜层经久耐用的重要前提。划痕法1是当前应用最多的使膜层发生局部变形的结合力测量方法。

2、它是将一具有很小曲率半径、圆锥形端头的硬质材料针，立在膜层表面，施加一定的法向力，并使针沿着膜层表面进行刻划，通过划伤膜层来测量膜层对基体的结合力2。进行划痕法测量时，逐步增加测量针的法向载荷，并重复进行刻划动作以恰好能使膜层与基体间发生剥离的载荷作为膜层与基体间结合力的度量。该载荷被称为使膜层剥离的临界载荷Lc。2结合力测定仪的原理结合力测定仪的原理采用改进划痕法。早期的划痕法在应用过程中，存在一些问题，诸如在测量中需要逐级变动载荷，为测一个数据需要进行多次划痕；难以准确判定膜层与基体间是否发生了分离而使临界载荷意义不明确。划痕法的发展和完善，主要集中在两个方面：一是加载方式由原来的分段加载

3、3、4改为连续加载5、6；二是改进对临界载荷的确定方式7。切向力检测法的根据是，在划痕过程中，划针所受切向力与膜层的破坏之间存在一定的关系8。随着划痕加深，在其边缘开始出现突变皱折，与第一个皱折波纹相对应的法向力即为临界载荷。此时，切向力显示陡降变化。研究表明，通过同时测量划痕过程中的切向力和法向力的变化，可以改善在韧性膜层上用划痕法确定临界载荷的可靠性和精度9。切向力检测法避免了声发射信号的多重来源性对测量结果的影响，简化了测量装置的结构，既可用于脆性的硬膜也可用于韧性的软膜的结合力测量。结合力测定仪临界载荷的确定方式采用切向力检测法。3结合力测定仪的组成研制实用简便的膜基结合力测定仪，是定

4、量评价膜/基结合强度的基础。为了在结合力测定仪上能模拟单颗粒磨损试验，实现一机多用的目标，结合力测定仪设计采用多功能组合方案。结合力测定仪组成框图如图31所示。31机械部分机械部分是结合力测定仪的核心部分。其结构如图32所示。测力杆6是测量法向力P和切向力Q的传感元件。划针8用紧定螺钉7紧固其上。测力杆6结构示意如图33所示。在测力杆上，设计了两段相对较薄的部分，作为测力的弹性元件。它们之间相互垂直，分别用于测量法向力和切向力。在较薄部分的两侧对称地粘贴着电阻应变片，各自组成测量电桥的两个桥臂。测量时，法向力和切向力同时作用于划针，使之分别被两组应变片的变形来检测。理论分析及实验表明，由于测力

5、杆上两个较薄部分相互垂直，法向力和切向力又分别垂直于各自测量电桥所在的平面，加之两侧的应变片是相互对称的，则该结构的测力传感器不仅可以同时测量法向力和切向力，而且它们是相互独立的。加载电机通过加载螺杆及滑块，将电机的旋转运动变成直线运动，使划针压入和远离试块，完成加载和卸载；与此同时，移动电机驱动滑移螺杆及偏转支座，使固夹其上的试块相对划针水平往复运动。如此，两个相对运动的复合，就实现了划针对试块的加载划拭。32计算机数据采集与处理部分结合力测定仪配置了以PC机为核心的数据采集与处理系统。由传感元件从划针得到的应变信号，经两个独立的信号通道接入动态电阻应变仪；模拟信号经应变仪放大、滤波，进入D

6、ATATAKER数据采集器，由其完成AD转换后输入微机。微机通过程序控制DATATAKER进行数据采集，并完成数据处理。处理后的数据可绘制多种图形。数据和图形最终可打印输出或通过显示器拍照留存。4结合力测定仪的标定结合力测定仪的标定分两部分：法向力P的标定及切向力Q的标定。为了考虑传感器上两路信号间的相互干扰，标定法向力P时，必须同时记录两个通道上的信号VPP及VPQ。其中VPQ表示法向力P对切向力Q通道信号的干扰。同理，标定切向力Q时，也必须同时记录两个通道上的信号VQQ及VQP，VQP表示切向力Q对法向力P通道信号的干扰。两种载荷的标定方程如下：1）法向力P的标定方程2）切向力Q的标定方程

7、其中，VPP和VQQ为主标定信号，而VPQ及VQP分别为传感器通道的干扰信号。标定程序采用Quick BASIC语言编制，处理数据十分方便。同时由式（43）可以看到，法向力P对切向力Q通道干扰很小（KPQKPP00625），而切向力Q对法向力P通道的干扰较大（KQPKQQ0211）。但是这种线性干扰可以在数据处理程序中通过解线性方程组来予以消除。5结束语结合力测定仪属小型多功能试验仪器，首次将膜层结合力测试及模拟单颗粒磨损试验功能组合于一体。试验表明：它不仅可对膜层试块进行结合力测试，还能对膜层及整体材料模拟单颗粒磨损试验。其具备的功能如下：1）测试各种膜层膜基复合体系的结合力；测试膜基复合体

8、系参数（如膜厚、表面硬度、弹性模量等）对临界载荷LC的影响；2）对膜层及整体材料模拟单颗粒磨损实验；测试多种因素（如攻角、速度、载荷等）对膜层及整体材料单颗粒磨损特性的影响。结合力测定仪具有如下特点：1）构思新颖、结构简单、集多种功能于一体、实用方便；2）加载倾角可调，可实现自动递增加载；数据采集与处理计算机化，测试结果可靠性高；3）可在原始数据的基础上，绘制多种实验报告曲线；4）两种信号采样频率可调，响应频率快，可精确捕捉加载开始及结束的全程信号。综上所述，结合力测定仪是测试膜基复合体系结合力及模拟单颗粒磨损试验的简便实用的良好工具。参考文献1Perry AJScratch adhesion

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10、Film1969（3）：2634Benjamin P，Weaver CAdhesion of evaporated metalfilmson glassCProcRSoc，London，Ser1961，A261（7）：5165205Jindal P Cet alAdhesion measurement of CVDand PVDhard coatings on WCCO substrateJThin Solid Films1987，154（7）：36416Phuku P，Bertrand P，Puydt YAdhesion，microstructure andcomposition of th

11、ermally evaporated alumiuniumthin layerson polyethylene terephthalate filmsJThin Solid Films1991，200（10）：2632677Muller D，Cho Y R，Berg S，Fromm EFracture mechanicstests for measuring the adhesion of magnetronsputtered TiNconatingsJSurfCoatTechnol1993，60（3）：4014048VenkataramS，Kohlstedt DL，Gerberich W WMetalceramicinterfacial fracture resistance using the c