界面結(jié)合性能激光劃痕檢測技術(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，是當前科學研究前沿。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，膜基界面結(jié)合性能檢測技術(shù)是薄膜技術(shù)發(fā)展的瓶頸和研究熱點。本文從方法、理論、裝備、試驗四個方面開展界面結(jié)合強度激光劃痕檢測技術(shù)基礎(chǔ)研究。
　　 首先，針對激光層裂法和劃痕試驗法表征界面結(jié)合強度研究與應(yīng)用的現(xiàn)狀，提出界面結(jié)

2、合強度激光劃痕檢測技術(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法中的金剛石壓頭接觸加載，以長脈沖激光的準靜態(tài)直接加載薄膜表面取代激光層裂法的對無膜面高應(yīng)變率動態(tài)加載；在界面結(jié)合狀態(tài)檢測診析技術(shù)方面，以X射線衍射技術(shù)、表面熱鏡技術(shù)和橢偏技術(shù)替代劃痕試驗法的聲發(fā)射診析技術(shù)和激光層裂法的干涉儀診析技術(shù)。長脈沖紅外激光直接準靜態(tài)加載薄膜表面，在其表面形成深度逐漸增加的劃痕，并實時檢測劃痕過程的膜基系統(tǒng)和激光束參數(shù)，借以判斷

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

4、、裂紋擴展、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，進一步提出膜基界面破壞臨界位置的診析判別準則。
　　 然后，開展了膜基界面結(jié)合狀況檢測診析方法與技術(shù)研究，提出了X射線衍射、表面熱鏡及反射橢偏檢測診析理論模型，優(yōu)化檢測診析參數(shù)，進一步開展紅外熱成像、CCD成像、功率計檢測診析技術(shù)研究，并在激光劃痕檢測系統(tǒng)裝備研發(fā)中予以實現(xiàn)。
　　 接著，針對激光劃痕檢測要求和特點，從激光先進制造綜合研究平臺的層面

5、研發(fā)了激光劃痕檢測系統(tǒng)裝備，其由激光器系統(tǒng)、工作臺系統(tǒng)、界面結(jié)合狀況檢測診析系統(tǒng)、信號采集系統(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、信號分析與處理、自動控制等功能的集成與協(xié)同，開發(fā)出激光劃痕系統(tǒng)主程序軟件，開發(fā)出連續(xù)激光能量實時自動調(diào)節(jié)軟件功能模塊。
　　 最后，在研發(fā)成功的激光劃痕檢測裝置上，進行了典型膜基系統(tǒng)激光劃痕試驗研究和檢測工藝試驗研究。以丙烯酸漆膜/SUS3

6、04不銹鋼基體為研究對象，開展了界面結(jié)合性能紅外激光劃痕檢測實驗研究，提出判別臨界狀態(tài)的二次劃痕檢測工藝，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)合強度。開展了YAG脈沖激光沖擊劃痕TiN/40Cr膜基系統(tǒng)實驗研究，得出了激光沖擊劃痕過程中的應(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膜面，結(jié)合X射線衍、表面熱鏡、反射橢偏界面結(jié)合狀態(tài)檢測診析技術(shù)，提出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的界面結(jié)合強度激光劃痕檢測技術(shù)。
　　 2、初步探明了激光劃痕機理和界面失效破壞機理，建立了“裂紋萌生與脫粘、裂紋擴展、翹曲、斷裂、剝落”的激光劃痕膜基界面失效模型，以及界面失效進程中界面脫粘、裂紋擴展、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的診析判別準則，提出了X射線衍射、表面熱鏡、反射橢偏界面結(jié)合狀況檢測診析理論模型，實現(xiàn)了紅外熱成像、CCD成像、功率計界面結(jié)合狀況檢測診析技術(shù)。
　　 4、研發(fā)了界面結(jié)合性能激光劃痕檢測裝置，其具有紅外連續(xù)激光、四波長(1064、532、355、266)脈沖激光加載功能，及X、Y、Z、U四軸聯(lián)動功能。實現(xiàn)了激光劃痕裝備各組成部分的硬件、數(shù)據(jù)采集、信號分析與處理、自動控制等功能的集成與協(xié)同，開發(fā)出激光

9、劃痕系統(tǒng)軟件，開發(fā)出激光能量連續(xù)實時自動調(diào)節(jié)軟件功能模塊。
　　 5、在激光劃痕檢測裝置上，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)的二次劃痕檢測工藝，提高了界面破壞臨界狀態(tài)判別的準確性，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)合強度。采用YAG激光，對TiN/40Cr進行了脈沖激光沖擊劃痕的初步試驗研究，探索了沖擊劃痕過程中的應(yīng)力變化規(guī)律。