新型多功能膜/基结合力测定仪的研制

　　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。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]、[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3—1所示。

　　3·1　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3—2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3—3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。