超聲干涉法涂層厚度測量聲阻抗匹配判據(jù)研究.pdf

1、涂層厚度是涂層的重要質(zhì)量指標(biāo)之一，它關(guān)系到涂層的使用壽命、涂層材料消耗及成本、涂層的應(yīng)力及涂層結(jié)合強(qiáng)度等。超聲干涉法涂層厚度測量方法由于具有不受被檢測涂層材料種類、厚度限制的優(yōu)勢而成為目前研究熱點(diǎn)之一。由于基體及涂覆層種類繁多，且涂層與基體的聲阻抗差異大小直接影響著對(duì)干涉信號(hào)頻譜的分析，基于此，本研究從超聲干涉法涂層厚度測量基本原理的研究入手，以含有涂層的多界面結(jié)構(gòu)中超聲波傳播為理論模型，提出了超聲干涉法涂層厚度測量的聲阻抗匹配判據(jù)，在

2、此基礎(chǔ)上對(duì)判據(jù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究。此外，分析了探頭接收到的反射回波次數(shù)n、超聲入射角θ1、探頭頻率f以及涂層厚度d對(duì)涂層反射系數(shù)譜以及實(shí)驗(yàn)精度的影響。得出了以下兩方面結(jié)果： (1)研究了涂層及與其相鄰介質(zhì)聲阻抗匹配滿足界面聲壓反射系數(shù)｜r12｜<1/√2或｜r12｜>1/√2時(shí)，分別選取包含涂層表面一次回波P1和濾掉P1的回波信號(hào)選取原則；分析了｜r12｜<1/√2或｜r12｜>1/√2時(shí)，涂層聲壓反射系數(shù)譜分別出現(xiàn)次生極大或極

3、小值的規(guī)律，在此基礎(chǔ)上提出了界面聲壓反射系數(shù)｜r12｜<1/√2或｜r12｜>1/√2時(shí)應(yīng)分別選取極小值或極大值進(jìn)行涂層厚度測量的判據(jù)。為了驗(yàn)證超聲干涉法涂層厚度測量聲阻抗匹配判據(jù)的正確性和有效性，按照涂層及與其相鄰介質(zhì)聲阻抗匹配滿足｜r12｜<1/√2或｜r12｜>1/√2的兩種情況，分別選取了航空雷達(dá)罩蒙皮GFRP(GlassFiberReinforcedPlastic)層板外表面復(fù)合涂層以及鋼基體表面ZrO2陶瓷涂層樣品進(jìn)行了超聲

4、厚度測量。對(duì)照SEM(ScanningElectronMicroscope)涂層厚度測量結(jié)果進(jìn)行誤差分析得出，相對(duì)誤差均值不超過10％，符合工程需要。 (2)討論了探頭接收到的反射回波次數(shù)n、超聲波入射角θ1、探頭頻率f以及涂層厚度d對(duì)涂層反射系數(shù)譜的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著n值增大，反射系數(shù)譜次生極值減小，譜線逐漸變得光滑，易于極值的讀??；θ1大于13°時(shí)入射波發(fā)生全反射，小于13°范圍內(nèi)，隨著θ1增大，反射系數(shù)譜在某些特定的入射

5、角處急劇減小，給厚度測量結(jié)果帶來明顯偏差；在0-25MHz范圍內(nèi)，隨著廠的增大，反射系數(shù)譜周期性的出現(xiàn)急劇減小的現(xiàn)象，且θ1不為零時(shí)其變化對(duì)高頻更為敏感；隨著d的增大，反射系數(shù)譜周期性的出現(xiàn)極大和極小值，且涂層厚度越薄對(duì)反射系數(shù)譜的影響越小。 另外，對(duì)于聲阻抗確定的樣品，還可以通過理論計(jì)算來優(yōu)化選擇耦合介質(zhì)的聲阻抗，以便獲得涂層及與其相鄰介質(zhì)的最佳聲阻抗匹配，從而為實(shí)際工程應(yīng)用提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。研究表明，涂層及與其相鄰介質(zhì)聲阻