界面結(jié)合性能激光劃痕檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)研究.pdf

1、薄膜技術(shù)用極少量的材料賦予材料特殊的優(yōu)越性能，充分發(fā)揮基體材料和薄膜材料的潛能，是當(dāng)前科學(xué)研究前沿。膜基界面結(jié)合性能在很大程度上決定了薄膜應(yīng)用的可靠性和和使用壽命，是影響薄膜技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的關(guān)鍵性的甚至決定性指標(biāo)，膜基界面結(jié)合性能檢測(cè)技術(shù)是薄膜技術(shù)發(fā)展的瓶頸和研究熱點(diǎn)。本文從方法、理論、裝備、試驗(yàn)四個(gè)方面開(kāi)展界面結(jié)合強(qiáng)度激光劃痕檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)研究。
　　 首先，針對(duì)激光層裂法和劃痕試驗(yàn)法表征界面結(jié)合強(qiáng)度研究與應(yīng)用的現(xiàn)狀，提出界面結(jié)

2、合強(qiáng)度激光劃痕檢測(cè)技術(shù)，其核心思想是：在加載技術(shù)上，以紅外激光非接觸加載取代劃痕試驗(yàn)法中的金剛石壓頭接觸加載，以長(zhǎng)脈沖激光的準(zhǔn)靜態(tài)直接加載薄膜表面取代激光層裂法的對(duì)無(wú)膜面高應(yīng)變率動(dòng)態(tài)加載；在界面結(jié)合狀態(tài)檢測(cè)診析技術(shù)方面，以X射線(xiàn)衍射技術(shù)、表面熱鏡技術(shù)和橢偏技術(shù)替代劃痕試驗(yàn)法的聲發(fā)射診析技術(shù)和激光層裂法的干涉儀診析技術(shù)。長(zhǎng)脈沖紅外激光直接準(zhǔn)靜態(tài)加載薄膜表面，在其表面形成深度逐漸增加的劃痕，并實(shí)時(shí)檢測(cè)劃痕過(guò)程的膜基系統(tǒng)和激光束參數(shù)，借以判斷

3、膜基界面破壞的臨界點(diǎn)，用界面破壞臨界點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的激光束參數(shù)結(jié)合檢測(cè)參數(shù)和膜、基體材料物性參數(shù)來(lái)表征膜基界面的結(jié)合性能。
　　 其次，開(kāi)展了激光劃痕過(guò)程膜基系統(tǒng)溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)有限元模擬與分析，研究了勻強(qiáng)激光、高斯模激光在固定加載和劃痕加載條件下，膜基系統(tǒng)的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展激光劃痕機(jī)理研究與界面失效破壞機(jī)理研究，提出了“裂紋萌生與脫粘、裂紋擴(kuò)展、翹曲、斷裂、剝落”的膜基界面失效模型，提出界面失效進(jìn)程中的界面脫粘

4、、裂紋擴(kuò)展、失穩(wěn)翹曲、斷裂剝落階段的物理模型，得出膜基系統(tǒng)失效的基本形式，進(jìn)一步提出膜基界面破壞臨界位置的診析判別準(zhǔn)則。
　　 然后，開(kāi)展了膜基界面結(jié)合狀況檢測(cè)診析方法與技術(shù)研究，提出了X射線(xiàn)衍射、表面熱鏡及反射橢偏檢測(cè)診析理論模型，優(yōu)化檢測(cè)診析參數(shù)，進(jìn)一步開(kāi)展紅外熱成像、CCD成像、功率計(jì)檢測(cè)診析技術(shù)研究，并在激光劃痕檢測(cè)系統(tǒng)裝備研發(fā)中予以實(shí)現(xiàn)。
　　 接著，針對(duì)激光劃痕檢測(cè)要求和特點(diǎn)，從激光先進(jìn)制造綜合研究平臺(tái)的層面

5、研發(fā)了激光劃痕檢測(cè)系統(tǒng)裝備，其由激光器系統(tǒng)、工作臺(tái)系統(tǒng)、界面結(jié)合狀況檢測(cè)診析系統(tǒng)、信號(hào)采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)及系統(tǒng)主程序等部分組成。實(shí)現(xiàn)了激光劃痕裝備各組成部分的硬件、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析與處理、自動(dòng)控制等功能的集成與協(xié)同，開(kāi)發(fā)出激光劃痕系統(tǒng)主程序軟件，開(kāi)發(fā)出連續(xù)激光能量實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)軟件功能模塊。
　　 最后，在研發(fā)成功的激光劃痕檢測(cè)裝置上，進(jìn)行了典型膜基系統(tǒng)激光劃痕試驗(yàn)研究和檢測(cè)工藝試驗(yàn)研究。以丙烯酸漆膜/SUS3

6、04不銹鋼基體為研究對(duì)象，開(kāi)展了界面結(jié)合性能紅外激光劃痕檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究，提出判別臨界狀態(tài)的二次劃痕檢測(cè)工藝，并得出使界面分離的最小激光功率31.92W，直接反映了膜基界面的結(jié)合強(qiáng)度。開(kāi)展了YAG脈沖激光沖擊劃痕TiN/40Cr膜基系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究，得出了激光沖擊劃痕過(guò)程中的應(yīng)力變化規(guī)律，為用膜基臨界狀態(tài)下的激光能量及其產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力波來(lái)表征界面結(jié)合性能奠定基礎(chǔ)。
　　 總結(jié)本文的研究工作，取得的創(chuàng)新性成果如下：
　　 1、以激

7、光非接觸加載取代劃痕試驗(yàn)法中的金剛石壓頭接觸加載，以激光直接加載薄膜表面取代激光層裂法的加載無(wú)膜面，結(jié)合X射線(xiàn)衍、表面熱鏡、反射橢偏界面結(jié)合狀態(tài)檢測(cè)診析技術(shù)，提出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的界面結(jié)合強(qiáng)度激光劃痕檢測(cè)技術(shù)。
　　 2、初步探明了激光劃痕機(jī)理和界面失效破壞機(jī)理，建立了“裂紋萌生與脫粘、裂紋擴(kuò)展、翹曲、斷裂、剝落”的激光劃痕膜基界面失效模型，以及界面失效進(jìn)程中界面脫粘、裂紋擴(kuò)展、失穩(wěn)翹曲、斷裂剝落等各階段的物理模型。
　　

8、 3、結(jié)合膜基界面分離臨界點(diǎn)的診析判別準(zhǔn)則，提出了X射線(xiàn)衍射、表面熱鏡、反射橢偏界面結(jié)合狀況檢測(cè)診析理論模型，實(shí)現(xiàn)了紅外熱成像、CCD成像、功率計(jì)界面結(jié)合狀況檢測(cè)診析技術(shù)。
　　 4、研發(fā)了界面結(jié)合性能激光劃痕檢測(cè)裝置，其具有紅外連續(xù)激光、四波長(zhǎng)(1064、532、355、266)脈沖激光加載功能，及X、Y、Z、U四軸聯(lián)動(dòng)功能。實(shí)現(xiàn)了激光劃痕裝備各組成部分的硬件、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析與處理、自動(dòng)控制等功能的集成與協(xié)同，開(kāi)發(fā)出激光

9、劃痕系統(tǒng)軟件，開(kāi)發(fā)出激光能量連續(xù)實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)軟件功能模塊。
　　 5、在激光劃痕檢測(cè)裝置上，采用紅外連續(xù)激光研究丙烯酸漆膜/SUS304不銹鋼膜基系統(tǒng)的界面結(jié)合性能，提出判別的臨界狀態(tài)的二次劃痕檢測(cè)工藝，提高了界面破壞臨界狀態(tài)判別的準(zhǔn)確性，得出使界面破壞的最小激光功率31.92W，直接反映了膜基界面結(jié)合強(qiáng)度。采用YAG激光，對(duì)TiN/40Cr進(jìn)行了脈沖激光沖擊劃痕的初步試驗(yàn)研究，探索了沖擊劃痕過(guò)程中的應(yīng)力變化規(guī)律。