浅议划痕激光自动划痕检测膜基界面结合强度系统集成与实验

论文导读：光自动划痕检测系统的硬件组成31-493.1.1激光器系统33-393.1.1.1半导体激光器及工作方式33-373.1.1.2电调Q脉冲Nd:YAG固体激光器及工作方式37-393.1.2工作台系统39-453.1.3界面结合情况检测诊析系统45-493.1.3.1红外热成像仪功能45-463.1.3.2光强度功率计功能46-473.1.3.3He-Ne激光器功能47-483.1.3.4CCD成像相机功
摘要：膜基界面结合强度是表征薄膜质量的重要指标之一,同时也是薄膜技术探讨与运用中的关键技术。为了更好的检测薄膜涂层的结合强度,国内外许多探讨人员都开展了大量的相关探讨,并取得了很多重要的探讨成果。采取激光技术与传统划痕法结合起来的激光划痕检测法是一种非接触式测量膜基界面结合强度的新型策略。该策略的原理是利用功率逐渐变化的激光准静态直接加载膜基试样的涂层表面,引起涂层与基体的脱粘和涂层的逐步破坏,同时涂层试样相对于激光做进给运动,用涂层临界破坏点的激光参数、检测参数和膜基材料的物性参数等来表征界面的结合强度。文中首先介绍了几种常见的膜基界面结合强度检测策略和激光划痕检测法的原理及特点。然后着重阐述了激光划痕检测系统实验装置的硬件、检测原理及其相应的自动划痕检测系统集成的软件设计。通过对长脉冲红外激光划痕涂层的论述浅析,认为对涂层结合强度有重要影响的是涂层的剥离应力σ_剥(x)和涂层界面间的剪切应力τ_(zx)(x);通过建立涂层热应力论述模型、应变公式和激光划痕涂层时温度场的数学模型,得出了激光划痕时产生的温度场T与激光功率P、材料表面能量吸收率β、材料导热率k、材料的比热容c_P、光束尺寸d和划痕扫描速度v等之间的联系,并且阐述了这些参数能够定量的表征涂层与基体间的结合强度。在实验探讨中,通过浅析红外热成像仪对激光划痕涂层时实时温度检测的结果,表明在涂层逐渐失效破坏的历程中,其表面温度情况呈现出与论述浅析结果相一致的两阶段变化,进而也浅析阐述了温度变化转折点即是该涂层以基体脱落下来的临界位置;通过对Nd:YAG脉冲激光器冲击划痕PVD工艺制备的无约束层的TiN薄膜涂层的实验探讨,表明随着冲击划痕的激光功率密度逐渐增大,涂层表面原来的残余压应力显著减小,并在受激光冲击作用大的地方还产生了逐渐增大的残余拉应力;探讨结果还表明,激光冲击涂层时产生的应力波对涂层的结合强度有显著的影响,当激光功率密度足够大时,产生强大的冲击应力波会导致涂层与界面间发生显著的翘起开裂和脱落。关键词：激光划痕论文涂层论文结合强度论文检测论文集成设计论文实验探讨论文
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ABSTRACT6-11
第一章 绪论11-15

1.1 课题探讨的背景11

1.2 膜基界面结合强度检测技术的近况及进展走势11-13

1.3 课题探讨来源、目的及作用13-14

1.4 课题探讨的主要内容14-15

第二章 膜基界面常见检测策略和激光划痕检测技术15-31

2.1 涂(膜)层与基体界面结合的机理15-18

2.

1.1 表面涂层与基体间结合界面的类型15-17

2.

1.2 表面涂层与基体界面间的结合力17-18

2.2 几种常见的膜基界面结合强度检测策略18-27

2.1 划痕法19-21

2.2 拉伸法21

2.3 超声波测试法21-22

2.4 激光层裂法22-23

2.5 压痕法23-25

2.6 鼓泡法25-27

2.3 激光划痕检测技术介绍27-30

2.3.1 激光划痕原理27-29

2.3.2 激光划痕检测技术的特点29-30

2.4 本章小结30-31

第三章 激光自动划痕检测系统的硬件组成与系统集成的软件设计31-65

3.1 激光自动划痕检测系统的硬件组成31-49

3.

1.1 激光器系统33-39

3.

1.1 半导体激光器及工作方式33-37

3.

1.2 电调Q脉冲Nd:YAG固体激光器及工作方式37-39

3.

1.2 工作台系统39-45

3.

1.3 界面结合情况检测诊析系统45-49

3.

1.3.1 红外热成像仪功能45-46

3.

1.3.2 光强度功率计功能46-47

3.

1.3.3 He-Ne激光器功能47-48

3.

1.3.4 CCD成像相机功能48-49

3.2 激光自动划痕检测系统集成的软件设计49-63
3.

2.1 Nd:YAG激光器自动划痕的软件设计50-58

3.

2.2 半导体激光器自动划痕的软件设计58-60

3.

2.3 划痕界面结合情况检测诊析系统的软件设计60-63

3.3 本章小结63-65
第四章 长脉冲红外激光划痕涂层的论述浅析65-75

4.1 红论文导读：

外激光划痕涂层的热应力及温度场的论述探讨65-68
4.

1.1 涂层热应力模型65-66

4.

1.2 激光划痕涂层的温度场数学模型探讨66-68

4.2 涂层界面结合强度的力学探讨68-72
4.

2.1 热弹性力学论述基础68-69

4.

2.2 涂层的应力应变模型69-71

4.

2.3 涂层界面结合强度的力学计算71-72

4.3 涂层失效破坏临界位置点的浅析72-74

4.4 本章小结74-75

第五章 长脉冲红外激光划痕涂层的实验探讨75-88

5.1 实验目的75

5.2 试样制备75-76

5.3 实验装置和实验策略76-78

5.4 实验结果与浅析78-86

5.

4.1 划痕前后涂层应变浅析78-81

5.

4.2 不同划痕速度下涂层温度变化与应力变化浅析81-85

5.

4.3 各温度转折点处对应激光功率的计算与浅析85-86

5.5 本章小结86-88
第六章 YAG脉冲激光冲击划痕无约束层TIN涂层的实验探讨88-98

6.1 实验目的88

6.2 实验原理浅析88-91

6.

2.1 脉冲激光冲击划痕无约束层膜基试样的一般原理88-89

6.

2.2 脉冲激光冲击无约束层涂层的模型探讨89-90

6.

2.3 冲击波压力对TiN涂层的影响浅析90-91

6.3 实验策略91-92
6.

3.1 TiN试样制备91

6.

3.2 试验历程91-92

6.4 试验结果与浅析92-97
6.

4.1 激光冲击划痕前的涂层残余应力浅析92-93

6.

4.2 激光冲击划痕后的涂层应力分布特点93-95

6.

4.3 激光冲击应力波对涂层结合强度影响浅析95-97

6.5 本章小结97-98
第七章 总结与展望98-100

7.1 全文总结98-99

7.2 工作展望99-100

参考文献100-103
致谢103-104
附录A 系统程序部分源代码104-121
附录B 读研期间发表的论文121