超声无损表征薄层结构研究进展

　　1　引言

　　薄层材料广泛应用于航空航天、石油化工、汽车制造、微电子等诸多领域,在工程技术中占有愈来愈重要的地位。由于薄层质量的优劣对其使用功能有很大影响,因此建立表征与评价薄层质量的基本原理、技术和方法、为薄层科技提供技术支撑成为该技术进一步发展的有力保障。

　　表征与评价薄层特性的常用方法分为有损方法和无损方法。其中有损方法可检测的范围很广,包括薄层的厚度、密度、结合强度、孔隙率、硬度等[1],但这些方法普遍存在破坏工件、不便于现场实时使用的缺点。无损方法常用的有超声和涡流[2-3]两种。其中,超声检测技术除了具有无损和100%检测的优点之外,还因超声波具有方向性好、穿透能力强、能量高和对人体无害等特点成为薄层材料无损检测研究的重要工具。

　　超声波与材料相互作用,接收信号携带了有关材料内部组织结构特性的大量信息。材料的显微结构参数包括位错密度、晶粒参数、晶粒纵横比和取向、晶界性能、杂质、相结构和其它偏聚性质,声速和这些参数中的一部分相关,超声波的衰减则与那些控制强度、韧性和其它力学性能的显微结构参数有明显的相关性。声阻抗反映的是介质质点对声波传播的阻碍作用,在数值上等于材料的密度和声速的乘积。一般说来,相对较小的声速和衰减变化,通常与显微结构特性和力学性能的显著变化相关[4]。从不同角度来看,材料的弹性模量、显微结构及相应的力学性能都能用超声参量予以表征。

　　2　薄层材料超声表征的难点

　　目前,利用超声方法对薄层材料进行表征的难点主要有以下三个方面:一是由于薄层厚度多集中在微米甚至纳米量级,对于超声检测常用的频率范围而言,薄层厚度与超声波波长之间的比值很小,因此应用于块体材料中的检测原理和方法在薄层材料中不再适用,必须探索合适的表征原理和方法;二是薄层通常和粘结层、基体配合使用,形成三层甚至多层结构,超声波传播时各界面的反射回波信号相互叠加,给波形分析带来很大困难。三是薄层的性能与其制备方法、工艺参数和试验条件等多种因素有关[5],尚难以获得统一的密度、弹性模量、泊松比等力学、物理性能数据,从而增加了薄层评价的难度。

　　近年来,用超声方法无损表征薄层结构已成为国内外的研究热点之一[6-12],英国的N.F.Haines和J.C.Bell等[8]利用纵波脉冲回波方法成功实现了对铝表面喷涂的环氧树脂层密度和声阻抗的表征;国内的张锐、万明习等[9-10]用兰姆波方法实现了薄板声速、密度和厚度的测量;德国的Schneider[11-12]多次利用表面波法对薄膜材料进行超声测量与评价。概括来说,超声无损表征薄层结构的方法主要有纵波脉冲回波法、兰姆波法和表面波法等。