CN103760043A - 脉冲激励相对法测试单层或多层复合涂层的弹性模量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试涂层和多层涂层的弹性模量的方法，所述的方法为脉冲激励相对法。针对由基体层和涂层组成的试样，分别测量试样基体层的厚度H和涂层的厚度h,用脉冲激励器测试样的弹性模量Eq并获取试样基体层的弹性模量Es，利用算式E_c=α·E_s计算涂层的弹性模量Ec。本发明适用于单涂层和多涂层材料的测试，对于多层涂层或梯度涂层，每测试一次弹性模量后研磨掉表层涂层，再测试一次弹性模量，通过两次测试到的弹性模量计算出被研磨掉的表层涂层的弹性模量。重复该步骤可以测试第二层涂层的弹性模量。依次类推可以测试每一层的弹性模量。该发明解决了涂层特别是陶瓷涂层弹性模量测试的难题，具有较强的实用价值。

Description

脉冲激励相对法测试单层或多层复合涂层的弹性模量的方法

技术领域

本发明属于脆性复合材料力学性能评价技术领域，涉及一种测试材料涂层的弹性模量的方法，如硬脆陶瓷热障涂层、耐磨耐腐蚀绝缘涂层等。

背景技术

陶瓷涂层越来越广泛地使用能够在现代工业和国防工业，包括航空、航天、汽车、石油化工以及各种高温耐磨器械。在金属或其他固体材料上通过物理或化学的方法镀上高硬度、高强度、耐腐蚀、耐磨损、抗高温的脆性陶瓷镀层，对于现代机械领域的性能提高具有重要意义。在化工领域，很多腐蚀液体通过的管道内壁镀上陶瓷涂层，寿命和耐久性可以提高数倍。在国防工业和冶金工业领域，很多耐高温构件的表面需要镀上热障涂层，以实现承受高温或超高温和氧化腐蚀的效果。这种陶瓷涂层的应用前景非常好，但是在设计上需要知道陶瓷涂层的弹性模量，以便分析涂层热应力和热匹配引起的变形和防止剥离现象。由于涂层无法单独从基体上取下，它的性能测试成为一个难题。

发明内容

本发明目的即在解决涂层弹性模量无法直接测定的技术难题，提供一种脉冲激励相对法测试单层或多层复合涂层的弹性模量的方法。

本发明一种脉冲激励相对法测试涂层弹性模量的方法，针对由基体层和涂层组成的试样，分别测量试样基体层的厚度H和涂层的厚度h,用脉冲激励器测试样的弹性模量Eq并获取试样基体层的弹性模量Es，利用下列算式计算涂层的弹性模量Ec：

E_c=α·E_s

式中， $\mathrm{\α}=\frac{-A+\sqrt{A^2+C}}{2R^3}$

A=4R²+6R+4-F

C=4R²·(F-1)

F=(1+R)³·(E_q/E_s)

R=h/H。

其中：试样基体层的弹性模量Es可从材料手册中获取，或对另外准备的相同基体层材料用脉冲激励器测量获得，或通过对研磨去掉涂层后的试样再测试一次弹性模量获得。

试样基体层的厚度H和涂层的厚度h可用读数显微镜或千分尺测量得到。

所述涂层为单涂层。或者，

所述涂层为多涂层，把最表层看作是单层涂层,测试试样弹性模量Eq后研磨掉最表层,剩余的试样看作基体层并测试其弹性模量Es,计算得到最表层涂层的弹性模量Ec；重复以上步骤，逐层确定每层涂层的弹性模量。

以上脉冲激励相对法测试涂层弹性模量的方法，具体包括以下步骤：

1）测量多涂层试样的原始厚度，用激励法测试该原始试样的弹性模量为Eq1；

2）将最外表面涂层研磨掉，测量剩余厚度（剩余厚度=基体加剩余涂层的总厚度）并算出被磨掉的表面涂层的厚度（表面涂层的厚度=原始厚度减去剩余厚度），用激励法测试研磨后试样（基体加剩余涂层）的弹性模量Es1；

3）利用算式计算出被研磨掉的表层（表面涂层）的弹性模量值Ec1；

4）重复以上步骤2）和3），测试出去除第二涂层后试样的弹性模量Es2，求出第二层涂层的弹性模量Ec2，计算中Eq2=Es1。

这里，所述涂层为厚度大于20微米的涂层。

所述涂层为镀覆在金属或陶瓷基体表面的硬脆涂层，其模量不低于基体材料，包括陶瓷涂层、金属涂层或玻璃涂层；陶瓷涂层为陶瓷热障涂层或陶瓷耐磨涂层等高模量涂层材料。

本发明提出了测试方法和三个弹性模量参数之间的解析关系式，确定涂层本身的弹性模量Ec可以表示为含涂层样品和不含涂层样品的弹性模量以及样品厚度比的函数，只要确定出含涂层样品的弹性模量和基体材料的弹性模量以及涂层厚度与基体厚度比值，即可得到涂层的弹性模量。

对于一个单面带有陶瓷涂层的梁试样，用常规的脉冲激励法测试样品的弹性模量后，研磨去掉涂层，再测试一次弹性模量，利用前后两次测试到的弹性模量值和被磨掉的涂层厚度与剩余厚度的比值，即可确定被磨掉的涂层的弹性模量。

对于多层涂层是试样，每一层弹性模量的测试均可借鉴单涂层的测试，逐层测试各涂层的弹性模量。

本发明方法适用于与金属或陶瓷基体复合的具有一定厚度的涂层（厚度大于20微米），主要针对硬脆涂层，包括陶瓷涂层（特别是热障涂层、陶瓷耐磨涂层）、金属涂层或玻璃涂层等的弹性模量的测定。涂层本身的弹性模量可以表示为含涂层样品和不含涂层样品的弹性模量的函数，只要确定出含涂层样品的弹性模量和基体材料的弹性模量以及涂层厚度与基体厚度比值，即可得到涂层的弹性模量。更进一步的，本发明还可以测出多涂层复合材料中各涂层的弹性模量，把最表层看作是单层涂层,测试样品弹性模量后研磨掉最上层,剩余看作基体并测试弹性模量,重复利用单层涂层的相对法测试，确定每层涂层的弹性模量。本发明脉冲激励相对法测试技术，解决了现有涂层弹性模量无法直接测定的技术难题，其不仅适用于难以测定的陶瓷涂层，当然也适用于其他硬脆涂层如金属涂层、玻璃涂层等弹性模量的测定。

附图说明

图1为单层涂层样品横截面示意图,基体厚度为H,涂层厚度为h。

图2为多层涂层样品依次测试和研磨掉的横截面示意图。

图3为碳化硅涂层和石墨基体的表面与断面形貌显微照片，(a)表面可见明显半球状突起，为SiC膜；(b)图为样品横截面照片，白色区域为抛光后SiC膜侧面形貌。

图4为陶瓷层状复合材料作为样品模拟多层涂层的试样。

具体实施方式

在材料力学性能评价技术领域，基体材料的弹性模量可以采用固体材料弹性模量测试的常规方法测试。现有技术中测试陶瓷材料弹性模量有很多方法，例如贴应变片的方法、压痕法、弯曲法、超声法，国内外最为简单、可靠和方便的方法就是脉冲激励法，它能测试一个样品的整体弹性模量，或者测试一个复合材料的等效弹性模量。如果能用这种精确而又方便的试验方法测试样品表面涂层的弹性模量，那对于陶瓷涂层领域的发展和应用是一个巨大的推动。在这种需求和背景条件下，本发明提供了一种非常方便的测试新技术和思路。

本发明的基本思路是相对法，它是一种间接方法,例如有A、B、C三个参数，其中两个可以通过现有方法测试，另一个无法测试，如果建立三者之间解析关系，就可以算出第三个无法测试的参数。陶瓷涂层的弹性模量就是一个难以测试的参数，至今为止世界上还没有可直接用于测试涂层弹性模量的报道。虽然压痕法可以用来估测涂层的弹性模量，但是它测到的只能代表微小局部的性能，不能反映整体宏观性能。本发明认为：基体材料在镀膜之前和镀膜之后的弹性模量均可用常规的方法测得，其中脉冲激励法就是最常用和最方便测试固体材料弹性模量的一种方法，但是当涂层材料与基体材料不同，样品镀膜前、后的整体弹性模量一定不相同。本发明设定陶瓷涂层样品共涉及有三个弹性模量参数：即基体材料的弹性模量，复合材料（带有涂层的样品）的弹性模量，以及涂层材料的弹性模量。前两个弹性模量的值都可以通过脉冲激励法测出来，只需导出这三个弹性模量之间的理论关系，在两个参数已知的情况下，就可以把第三个参数算出来。在几何尺寸和涂层厚度已知的情况下，考虑弯曲振动的刚度跟材料的弹性模量相关，假设涂层与基体之间没有界面滑移，整个接触界面均是紧密和连续结合，这符合绝大多数陶瓷涂层的实际情况。

在该前提下，利用材料力学等效刚度模型和数学理论，推导出三个弹性模量参数的关系式。假设基体材料的弹性模量为Es，带涂层样品（复合材料）的弹性模量为Eq，涂层的弹性模量为Ec。如果基体材料的弹性模量Es已知，只需要测试复合材料的弹性模量(等效模量)Eq；如果基体材料的弹性模量Es未知，则先后测试基体材料和复合材料的弹性模量Es和Eq，然后利用这两个弹性模量和相应的材料尺寸参数，计算出涂层材料的弹性模量Ec。这种方法是一种间接测试的方法，因为是通过比较有涂层和无涂层的样品弹性模量的差别来确定涂层的弹性模量，本发明把这种方法称为相对法。又因为样品的整体弹性模量是采用脉冲激励法来测试的，涂层只是样品表面的一个保护层，利用测试整体样品的模量推算出局部表层的模量，把脉冲激励法和相对法理论相结合，称为脉冲激励相对法。这个方法的核心是利用导出的三个弹性模量值的相互关系，其中两个是可以通过激励法获得，因此第三个模量（涂层）可以方便地由函数式（1）算出。

E_c=f(E_q,E_s)  （1）

Es为基体材料的弹性模量，Eq为带涂层样品（复合材料）的弹性模量，Ec为涂层的弹性模量。

其实验步骤为，采用弯曲振动梁样品，分别测量试样基体层的厚度和涂层的厚度。涂层的厚度为h，基体的厚度为H，它们的比值用R来表示，见式（2）：

R=h/H  （2）

用参数F来表示镀涂层前后的梁样品(激励法规定的试样，一般长:宽:厚=20:5:1)刚度的比值，通过一系列推导，得到涂层弹性模量Ec的算式，见式（3）：

E_c=α·E_s  （3）

式中 $\mathrm{\α}=\frac{-A+\sqrt{A^2+C}}{2R^3}$

A=4R²+6R+4-F

C=4R²·(F-1)

F=(1+R)³·(E_q/E_s)

本发明通过以下方式验证上述算式的合理性：

假设基体材料弹性模量与复合材料弹性模量相等，即Es=Eq，则F=(1+R)³，这样，无论厚度比R等于多少（通常小于0.5），带入公式计算后均会得到α=1，证明如下:

A²+C=(4R²+6R+4-(1+R)³)²+4R²((1+R)³-1)=(3+3R+R²+R³)²

$-A+\sqrt{A^2+C}=-({4R}^2+6R+4-{(1+R)}^3)+(3+3R+R^2+R^3)=2R^3$

因而有: $\mathrm{\α}=\frac{-A+\sqrt{A^2+C}}{2R^3}=\frac{{2R}^3}{{2R}^3}=1$

则求出的涂层模量Ec也与Es和Eq相等。这样也验证了上述理论的正确性。

以上方法的核心是用最方便的方法分别测出含涂层和不含涂层样品的弹性模量,并测量厚度比，即可求出涂层的弹性模量。本发明测试方法可简单地归纳为:通过脉冲激励法测试出Eq和Es,并测量涂层与基体的厚度比值，即可算出涂层的弹性模量。

以下以具体实例进一步说明本发明的测试方法。

实施例1：单层陶瓷涂层弹性模量的测试

针对单层涂层的样品（基体+单涂层），而且基体的弹性模量是已知的，则只要测试一次带有涂层样品的弹性模量，即可求出涂层的弹性模量。

利用脉冲激励法来测试矩形截面的梁试样，方法简单，可以参照国际标准ISO17561或者国内行业标准2010-0552T-JC测量常温下试样的弯曲振动的固有频率。由于梁试样自由振动的基频是由试样的尺寸、弹性模量和试样质量唯一确定的，因此基频已测后且试样的质量和尺寸已知的情况下，可以计算出弹性模量（块体样品弹性模量的脉冲激励法测试原理及方法参见标准）。

样品：石墨基体表面化学气相沉积碳化硅膜的复合材料。

测量过程：

1）样品厚度测量：用读数显微镜或千分尺测量样品（碳化硅涂层/石墨基体）尺寸，样品总厚度为H+h，基体厚度为H。

2）涂层厚度测量：涂层表面形貌见图3（a），可见很多球状鼓包，从横截面上可以看到涂层厚度均匀性不是很好。所以在不同位置测量三次，然后取平均值。图3（b）显示了样品断口的横截面形貌，通过读数显微镜可以直接测量涂层的平均厚度h。本实验测得涂层厚度为70微米,得到厚度比和h/H=0.0175

3）样品弹性模量测量：用脉冲激励器测样品（碳化硅涂层+石墨基体）的弹性模量Eq。本实验测得Eq=20.76GPa

4）基体弹性模量测量：准备另一与基体完全相同的石墨样品，用脉冲激励器测量该基体的弹性模量Es。本实验已知基体的弹性模量约为9.80GPa左右，测试数据基本吻合，为Es=9.7GPa。

5）依据测量数据，涂层厚度h为70微米，基体厚度H为4毫米，利用式（2）计算得到厚度比R为0.0175。再利用Eq、Es和R数据和式（3）算出涂层的弹性模量Ec=375GPa。

本例计算结果与该碳化硅材料弹性模量单独测试数值吻合，表明本发明的测试方法可行。

实施例2：多涂层（多膜层）陶瓷涂层弹性模量的测试

针对有多涂层的复合样品（基体+多涂层+表面涂层），若每层的弹性模量都不同,例如梯度功能涂层,则可以每次测试出来最表层那一层涂层的弹性模量，反复运用得到各涂层的弹性模量。

1）测量复合样品的原始厚度和长宽尺寸，用激励法测试复合样品的弹性模量为Eq1；

2）将最外表面涂层研磨掉，测量剩余厚度（基体加剩余涂层的总厚度）并算出被磨掉的表层的厚度（原始厚度减去剩余厚度），用激励法测试研磨后样品（基体加剩余涂层）的弹性模量Es1(看作最上层涂层的基体材料之模量)；

3）利用前述式（3）计算出被研磨掉的表层（表面涂层）弹性模量值Ec1。

4）重复以上步骤2）和3），测试去除第二涂层后样品的Es2，求出第二层膜的弹性模量Ec2，计算中注意:Eq2=Es1。

5）依次类推，求出每一层涂层的弹性模量。

见图4，本实施例测量的复合样品为用两种陶瓷组成的多层复层陶瓷，把最上面两层看作是复合涂层(第一模拟涂层，厚度h1)，第三层(白色，厚度h2)看作是模拟第二层,样品的第四层磨掉小部分（厚度h3）看作第三层涂层，每次磨掉一层的剩余部分看作是对应这一层的复合基体。

实验步骤是：先对初始样品测试一次弹性模量，研磨掉设定的涂层，再测剩余试样(看作基体)的弹性模量，算出被磨掉的涂层的弹性模量；再磨掉第二层涂层，再测试剩余样品弹性模量并算出被磨掉层的弹性模量，依次类推，试验结果见表1；

表1.多涂层样品各层的测量数据及计算结果

	h(mm)	h+H(mm)	Eq(GPa)	Es（GPa）	Ec（GPa）
						第1层分析	0.56	3.58	205	199	217
第2层分析	0.28	3.02	199	229	105
						第3层分析	0.04	2.74	229	227	274

表1显示了试验结果，第一模拟涂层(两层复合)的弹性模量为217GPa,第二层(白色)的弹性模量为105GPa，第三层(黑色)弹性模量为274GPa。采用纳米压痕技术对同样样品横截面上每一层材料的弹性模量进行测试，结果第一模拟涂层(两层复合)的等效弹性模量约为220GPa,第二层(白色)的弹性模量为114GPa,第三层(黑色)弹性模量为278GPa，该数据与表1中的测试数据基本吻合。通过本实施例显示的具体操作，可以得到多涂层各层的弹性模量。

综上，本发明针对这样一种现状：脉冲激励法非常容易测试一个固体样品的弹性模量，另一方面附着在基体上陶瓷涂层很难剥离下来作为一个单质材料进行测试，如果能用简单的脉冲激励法确定陶瓷涂层的弹性模量将可以很方便地解决涂层模量测试的难题。技术上的考虑是：通过建立基体材料（不含涂层样品）的弹性模量Es，含涂层样品的弹性模量Eq和涂层本身的弹性模量Ec三者之间的理论关系，确定涂层的弹性模量。虽然涂层的弹性模量Ec难以测试，但其他两个弹性模量很容易用脉冲激励法测试得到，而且三者之间有解析关系，因此可以通过测试两个参数计算出第三个参数。

本发明的核心是用一种传统的测试弹性模量的技术，通过相对法原理，获得过去无法直接测试的陶瓷涂层（或玻璃涂层、金属涂层）的弹性模量。动态激励法是一种最方便测试块体材料弹性性能的方法，长期以来，材料性能检测人员和结构设计人员都希望有一种简便方法能测试涂层特别是陶瓷涂层的弹性模量，本发明解决了这一难题。并且通过这种方法，可以进一步评价多层涂层的弹性模量，也可推广到高温涂层弹性模量测试，对陶瓷涂层的应用与发展具有重要的现实意义。

Claims (10)

1.一种脉冲激励相对法测试涂层弹性模量的方法，针对由基体层和涂层组成的试样，分别测量试样基体层的厚度H和涂层的厚度h,用脉冲激励器测试样的弹性模量Eq并获取试样基体层的弹性模量Es，利用下列算式计算涂层的弹性模量Ec：

E_c=α·E_s

式中， $\mathrm{\α}=\frac{-A+\sqrt{A^2+C}}{2R^3}$

A=4R²+6R+4-F

C=4^R2·(F-1)

F=(1+R)³·(E_q/E_s)

R=h/H。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，试样基体层的弹性模量Es可从材料手册中获取。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，试样基体层的弹性模量Es可对另外准备的相同基体层材料用脉冲激励器测量获得。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，试样基体层的弹性模量Es可通过对研磨去掉涂层后的试样再测试一次弹性模量获得。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，试样基体层的厚度H和涂层的厚度h可用读数显微镜或千分尺测量得到。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的方法，其特征在于，所述涂层为单涂层。

7.根据权利要求1或2或3或4或5所述的方法，其特征在于，所述涂层为多涂层，把最表层看作是单层涂层,测试试样弹性模量Eq后研磨掉最表层,剩余的试样看作基体层并测试其弹性模量Es,计算得到最表层涂层的弹性模量Ec；重复以上步骤，逐层确定每层涂层的弹性模量。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

1）测量多涂层试样的原始厚度，用激励法测试该原始试样的弹性模量为Eq1；

2）将最外表面涂层研磨掉，测量剩余厚度（剩余厚度=基体加剩余涂层的总厚度）并算出被磨掉的表面涂层的厚度（表面涂层的厚度=原始厚度减去剩余厚度），用激励法测试研磨后试样（基体加剩余涂层）的弹性模量Es1；

3）利用算式计算出被研磨掉的表层（表面涂层）的弹性模量值Ec1；

4）重复以上步骤2）和3），测试出去除第二涂层后试样的弹性模量Es2，求出第二层涂层的弹性模量Ec2，计算中Eq2=Es1。

9.根据权利要求1至8任一所述的方法，其特征在于，所述涂层为厚度大于20微米的涂层。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述涂层为镀覆在金属或陶瓷基体表面的硬脆涂层，其模量不低于基体材料，包括陶瓷涂层、金属涂层或玻璃涂层；陶瓷涂层为陶瓷热障涂层或陶瓷耐磨涂层等高模量涂层材料。

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