一种涂层界面结合强度的检测方法及其设备与流程

本发明涉及涂层界面结合强度性能检测技术领域，特别是指一种涂层界面结合强度的检测方法及其设备。

背景技术：

为满足特定的环境防护及功能需求，涂层及薄膜材料在现代动力装备及电子产品中逐渐获得了广泛的应用。这些涂层/基底材料系统在使用过程中可能长期经受高温、振动、温循等环境-载荷的联合破坏作用，涂层的失效模式、结合强度及使用可靠性等指标越来越受到工程技术人员的重视。如何准确地表征与评价涂层的结合性能，目前主要有两种观点：一是应力观点，即涂层从基底上剥落时单位面积上所需力的大小，通常采用结合强度(包括拉伸强度和剪切强度)和应力强度因子等参数来表征，其中拉伸强度和剪切强度分别反映材料系统界面抵抗拉伸和剪切破坏的能力，而应力强度参数来源于线弹性断裂力学的有关概念；二是能量学观点，即涂层从基底上剥落时单位面积所需能量的大小，包括界面韧性和断裂韧性等参数，其中韧性表示材料从产生变形到直至断裂的整个过程中所吸收的能量，而断裂韧性则表征材料在含有预裂纹的情况下，抵抗该预裂纹进一步扩展的能力。

目前常用的获取结合强度表征指标的手段主要包括理论解析法和有限元模拟法，如裂纹尖端应力解析法、应力强度因子法、能量释放率法等都属于基于力学模型推导的理论分析方法。有限元法的基本思路是，依据测试曲线对实验的加载过程开展有限元建模分析和数值模拟，获取裂纹启裂时刻断裂面的应力场分布，从中提取峰值表征涂层材料启裂强度的应力指标。发明人发现现有技术表征与评价涂层的结合性能的方法存在以下缺陷：虽然采用应力强度因子的观点被证明是有效的，但主要将其应用于分析宏观块体材料的界面裂纹问题中，对于微纳米量级的涂层或薄膜材料界面分层问题，该理论存在明显的不足。首先，界面分层启裂的应力奇异性参数依赖于其几何特征，界面启裂特性参数是与试样几何相关的；其次，尽管他们描述了相同的界面材料分离破坏，得到的控制界面裂纹萌生和扩展的韧性参数并不相同；第三，相关研究发现，当试样中的相关层厚度变小时，应力强度因子的主导区缩小到距离界面端部几个微米的范围，甚至更小。这种情形下，断裂力学概念能否继续适用值得商榷。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种涂层界面结合强度的检测方法及其设备，使得涂层界面结合强度的计算不依赖其几何特征。

基于上述目的本发明提供的一种涂层界面结合强度的检测方法，包括以下步骤：

基于涂层和基底的相关数据，确定表征涂层界面结合特性的内聚区单元；

基于内聚区参数和内聚区单元遵守的内聚力-张开位移关系，计算得到涂层结合强度的模拟结果；

基于模拟结果与通过实验获得涂层结合强度的测试结果的对比，获得描述涂层界面结合强度的应力指标和能量指标。

可选的，确定表征涂层界面结合特性的内聚区单元包括以下步骤：

收集涂层和基底的相关数据；

通过收集的相关数据生成出模拟涂层实验加载工况的有限元网格模型；

在有限元网格模型中确定表征涂层界面结合特性的内聚区单元。

可选的，计算得到涂层结合强度的模拟结果包括以下步骤：

将内聚区单元信息输出到模型源文件中，在模型源文件中调整有限元计算所用的控制参数；

修改内聚区单元的属性，并赋予表征内聚区单元失效的法向及切向控制参数初始值；

将内聚区单元遵守的内聚力-张开位移关系转化为子程序；

调用内聚区参数与子程序进行数值模拟计算，获得加载点特征部位的位移或变形，从而得到该部位的模拟载荷-位移曲线；

通过模拟载荷-位移曲线计算得到涂层结合强度的模拟结果。

可选的，获得描述涂层界面结合强度的应力指标和能量指标包括以下步骤：

对比模拟结果与测试结果；

当模拟结果与测试结果对比满足误差要求时，确定内聚区参数能够表征涂层界面的结合强度和断裂性能；

输出内聚区模拟结果，获得描述涂层界面结合强度的应力指标和能量指标。

可选的，所述涂层和基底的相关参数包括涂层和基底系统的载荷、边界条件和材料性能参数。

可选的，所述模型源文件中调整有限元计算所用的控制参数包括单元类型、分析步长和收敛精度。

可选的，所述内聚力-张开位移关系为内聚区单元遵守的指数、双线性或梯形内聚力-张开位移关系。

可选的，还包括如下步骤：

当模拟结果与测试结果对比不满足误差要求时，调整内聚区参数直至模拟结果满足误差要求；

输出内聚区模拟结果，获得描述涂层界面结合强度的应力指标和能量指标。

一种涂层界面结合强度的电子设备，包括至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如权利要求1-8任意一项所述的方法。

从上面所述可以看出，本发明提供的一种涂层界面结合强度的检测方法及其设备，针对当前获取涂层结合强度表征指标的手段存在的不足，提出基于热力学能量平衡观点的内聚区模型分析方法更为适合。对于薄膜分层破坏的有限元模拟实践表明，它能够描述界面裂纹萌生和沿界面扩展的全过程，给出的表征界面结合性能指标仅取决于涂层材料本身特性，与试样几何无关。根据内聚区模型的参数构成，它可综合从应力和能量学观点出发对涂层/基底材料的界面结合性能进行定量表征。具体的步骤有：

基于涂层和基底的相关数据，确定表征涂层界面结合特性的内聚区单元；

基于内聚区参数和内聚区单元遵守的内聚力-张开位移关系，计算得到涂层结合强度的模拟结果；

基于模拟结果与通过实验获得涂层结合强度的测试结果的对比，获得描述涂层界面结合强度的应力指标和能量指标。

由上述所述本发明具有如下优点：

1)能够描述界面裂纹萌生和沿界面扩展的全过程，给出的表征界面结合性能指标仅取决于涂层材料本身特性，与试样几何无关；

2)适合于描述微纳米量级的涂层或薄膜材料界面分层或断裂问题，能够克服传统应力强度因子观点的缺陷与不足；

3)可以从应力和能量角度综合给出表征涂层/基底材料界面结合性能的定量指标。

附图说明

图1为本发明实施例一种涂层界面结合强度的检测方法及其设备的流程图；

图2为本发明实施例一种涂层界面结合强度的检测方法及其设备的详细流程图；

图3为本发明实施例指数内聚力－法向位移关系曲线图；

图4为本发明实施例指数内聚力－切向位移关系曲线图；

图5为本发明实施例双线性内聚力－法向位移关系曲线图；

图6为本发明实施例双线性内聚力－切向位移关系曲线图；

图7为本发明实施例梯形内聚力－张开位移关系曲线图；

图8为本发明实施例线弹性cu层时三种典型模拟曲线与实验曲线比较图；

图9为本发明实施例线弹性cu层时界面特征长度对模拟结果的影响图；

图10为本发明实施例线弹性cu层时内聚强度对模拟结果的影响图；

图11为本发明实施例线弹性cu层时内聚能比对模拟结果的影响图；

图12为本发明实施例一种涂层界面结合强度的检测方法及其设备的电子设备的一个实施例的硬件结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本申请针对当前获取涂层结合强度表征指标的手段存在的不足，提出基于热力学能量平衡观点的内聚区模型(czm，cohesivezonemodel)分析方法更为适合。对于薄膜分层破坏的有限元模拟实践表明，它能够描述界面裂纹萌生和沿界面扩展的全过程，给出的表征界面结合性能指标仅取决于涂层材料本身特性，与试样几何无关。根据内聚区模型的参数构成，它可综合从应力和能量学观点出发对涂层/基底材料的界面结合性能进行定量表征。

czm通常作为一种宏观唯象模型，已经被广泛用于模拟研究金属、陶瓷、聚合物基复合材料等众多材料的断裂和失效问题，例如裂纹尖端的塑性与蠕变、聚合物的银纹、胶合连接、复合材料的裂纹桥连、混凝土的裂纹扩展及双相材料界面分层等。为了简化对复杂的界面材料分离过程的分析，内聚区模型将界面材料表征为遵从一内聚法则的薄层。该内聚法则的具体表现形式是内聚力—张开位移曲线，表现为：随着界面分离位移的增大，界面处内聚力逐渐达到最大值，然后逐步减小，当界面完全分离时内聚力消失。其基本参数有内聚强度、内聚能及界面特征长度。其中，界面分离能为界面材料的特征参数，与试样几何无关。界面材料分离的驱动力必须克服界面分离能和塑性耗散能。针对不同材料的断裂破坏，研究人员已经提出了许多不同形式的内聚区模型，其主要区别在于内聚力－张开位移曲线的形状以及描述其形状的参数，常见的有矩形、多项式、指数、梯形、双线性等内聚区模型。

为了利用内聚区模型分析方法获得涂层界面结合强度的相应指标，本发明提供了如图1所示，一种涂层界面结合强度的检测方法及其设备，包括：

步骤s101，基于涂层和基底的相关数据，确定表征涂层界面结合特性的内聚区单元；

步骤s102，基于内聚区参数和内聚区单元遵守的内聚力-张开位移关系，计算得到涂层结合强度的模拟结果；

步骤s103，通过实验获得涂层结合强度的测试结果；

步骤s104，基于模拟结果与测试结果的对比，获得描述涂层界面结合强度的应力指标和能量指标。

由上述实施例可知，所述涂层界面结合强度的检测方法针如何准确地表征与评价涂层的结合性能，通过基于内聚区参数和内聚区单元遵守的内聚力-张开位移关系，计算得到涂层结合强度的模拟结果与测试结果对比，获得描述涂层界面结合强度的应力指标和能量指标。从而进一步获得能够描述界面裂纹萌生和沿界面扩展的全过程，同时给出的表征界面结合性能指标仅取决于涂层材料本身特性，与试样几何无关。

如图2所示，可选的，确定表征涂层界面结合特性的内聚区单元包括以下步骤：

步骤s201，收集涂层和基底的相关数据；

步骤s202，通过收集的相关数据生成出模拟涂层实验加载工况的有限元网格模型；

步骤s203，在有限元网格模型中确定表征涂层界面结合特性的内聚区单元。

可选的，计算得到涂层结合强度的模拟结果包括以下步骤：

步骤s301，将内聚区单元信息输出到模型源文件中，在模型源文件中调整有限元计算所用的控制参数；

步骤s302，修改内聚区单元的属性，并赋予表征内聚区单元失效的法向及切向控制参数初始值；

步骤s303，将内聚区单元遵守的内聚力-张开位移关系转化为子程序；

步骤s304，调用内聚区参数与子程序进行数值模拟计算，获得加载点特征部位的位移或变形，从而得到该部位的模拟载荷-位移曲线；

步骤s305，通过模拟载荷-位移曲线计算得到涂层结合强度的模拟结果；

可选的，获得描述涂层界面结合强度的应力指标和能量指标包括以下步骤：

步骤s401，对比模拟结果与测试结果；

步骤s402，当模拟结果与测试结果对比满足误差要求时，确定内聚区参数能够表征涂层界面的结合强度和断裂性能；

步骤s403，输出内聚区模拟结果，获得描述涂层界面结合强度的应力指标和能量指标。

可选的，所述涂层和基底的相关参数包括涂层和基底系统的载荷、边界条件和材料性能参数。

可选的，所述模型源文件中调整有限元计算所用的控制参数包括单元类型、分析步长和收敛精度。

可选的，所述内聚力-张开位移关系为内聚区单元遵守的指数、双线性或梯形内聚力-张开位移关系。

当步骤s102中内聚力-张开位移关系为内聚区单元遵守的指数内聚力-张开位移关系时，指数内聚区模型通常定义一内聚力势函数：

其中，q＝φt/φn，φn和φt分别为界面法向和切向内聚能；δn和δt分别为界面处法向和切向位移间距；δn和δt分别为界面法向和切向特征长度；为界面在纯剪切应力状态下失效时刻的法向位移临界值。界面法向和切向内聚力可以根据下式确定：

将式(1)代入上式可得：

相应地，法向内聚能和切向内聚能与界面处的最大正应力σmax和最大切应力τmax有关，分别为：

当δt＝0时，由式(3)可得到法向内聚力－法向位移关系曲线，如图3所示；当δn＝0时，可得切向内聚力－切向位移曲线，示意于图4。

当步骤s102中内聚力-张开位移关系为内聚区单元遵守的双线性内聚力-张开位移关系时，双线性内聚区模型，根据该模型，界面处法向内聚力和切向内聚力均为位移的双线性函数，具体关系式如下：在界面的法向和切向均为关系的，该模型假定界面遵从如下本构关系：

当δn＞0时，

当δn＝0时，

这里，σmax和τmax分别为界面法向强度和切向强度；δmax为界面特征长度；和分别为界面完全失效时的临界法向和切向位移；δn、δt和δ分别为经归一化处理后的法向、切向和等效位移间距，其定义如下：

在纯拉伸(δt＝0)和纯剪切(δn＝0)情形下，双线性内聚力模型的法向内聚力－位移曲线和切向内聚力－位移曲线如图5和图6所示。对应的法向内聚能φn和切向内聚能φt分别为：

当步骤s102中内聚力-张开位移关系为内聚区单元遵守的梯形内聚力-张开位移关系时，梯形内聚区模型将法向位移和切向位移组合并定义了一个无量纲的分离位移参数，即

并且假定，当δ＝1时界面上应力减小为零。式(11)中的和分别为法向和切向位移的临界值。然后，再通过定义如下势函数：

从而确定界面处法向和切向内聚力，其关系式分别为：

在纯拉伸状态时，界面的法向最大应力为σmax,界面的切向最大应力为当δ＝1时，由式(12)可得界面上单位面积的分离能，即内聚能γ0。根据图7，可以得到，

一种涂层界面结合强度的检测方法，还包括如下步骤：

当模拟结果与测试结果对比不满足误差要求时，调整内聚区参数直至模拟结果满足误差要求；

输出内聚区模拟结果，获得描述涂层界面结合强度的应力指标和能量指标。

通过不断的调整调整内聚区参数直至模拟结果满足误差要求，使得模拟结果更加的准确，本方法适合于描述微纳米量级的涂层或薄膜材料界面分层或断裂问题，能够克服传统应力强度因子观点的缺陷与不足。

为了进一步实施本方法，本发明中首先考虑将cu薄膜层作为线弹性材料，来开展相应的czm模拟计算。表1-1列出了内聚力模拟所用的纳米悬臂梁材料的弹性常数。这里假设各层材料遵从线弹性变形规律，其中cu层的弹性模量129gpa，泊松比为0.34。内聚区模型的主要特征参数有内聚强度、内聚能及界面特征长度。在模拟计算中，通过设定不同的特征参数来调整界面的力学性质，使模拟计算结果与实验结果尽可能地接近。假设纳米cu层遵守线弹性规律时，分别采用指数、双线性和梯形内聚区模型对si/cu薄膜界面分层破坏进行了模拟。经过大量试算发现，计算结果对内聚强度和内聚能比较敏感，对界面特征长度不太敏感。对于每种模型，通过设定内聚强度值各选取具有代表的模拟曲线与实验曲线进行比较。图8给出了三类czms的典型模拟结果，图中的标记，如“e280mpa”，表示内聚强度max等于280mpa、并使用指数czm时得到的模拟曲线；“b440mpa”表示σmax＝440mpa时，使用双线性czm得到的模拟曲线；“t370mpa”表示σmax＝370mpa时，使用梯形czm得到的模拟曲线。可以看出，双线性和梯形czm的模拟结果与实验曲线差别较大，相比较而言，指数czm更为适用于研究该薄膜界面的分层破坏问题。

表1-1模拟计算所用的材料弹性常数

下面重点针对指数czm，进一步调节其内聚参数幅值，通过与实验结果对比进行优化，获得表征界面结合性能的最优参数指标。在保证计算过程收敛性的前提下，本研究中将界面特征长度取为0.004μm，这一选取的理由将用图9加以说明。图中的结果是取σmax＝280mpa和q＝1、依次改变界面特征长度δn＝δt为0.003μm、0.004μm和0.005μm而得到的。此时对应的内聚能φn＝φt分别为2.28j/m2、3.05j/m2和3.81j/m2。图中的标记，如“280-0.004-3.05”表示内聚强度等于280mpa、特征长度取0.004μm、内聚能为3.05j/m2时的计算结果，余类推；标记为“experiment”的数据点是引自文献中的实验结果，下同。可以看出，界面特征长度δn＝δt＝0.004μm更为接近于实验点。相比较而言，内聚强度参数对计算结果的影响更为显著。根据内聚强度与材料屈服强度的关系以及大量的试算，本研究中，将法向内聚强度σmax分别取为260mpa、270mpa和280mpa，并将界面切向和法向内聚能之比q＝φt/φn取为1。根据式，相应的内聚能分别为2.83j/m2、2.94j/m2和3.05j/m2。从图10中可以看出，模拟p-δ曲线对内聚强度σmax变化比较敏感。试算发现，当σmax低于260mpa时，模拟曲线会严重偏离实验曲线，如果取更低值会导致迭代求解过程发散而无法完成计算。随着内聚强度的增大，模拟曲线逐渐接近于实验曲线。当内聚强度等于260mpa和270mpa时的计算曲线大部分线段和实验曲线接近，但是在邻近界面破坏时刻，二者的偏差较大。模拟中发现，计算曲线偏离实验曲线部分对应着裂纹沿界面扩展阶段。当σmax＝280mpa时，模拟曲线整体上均比较接近实验点，而且获得的断裂载荷与实验值更为吻合。当σmax超过280mpa时，虽然计算曲线仍接近实验曲线，但是无法实现界面裂纹萌生和沿界面扩展。

内聚能之比q＝φt/φn参数对模拟结果的影响如图11所示。图中令σmax＝280mpa、δn＝0.004μm和φn＝3.0464j/m2，依次改变参数q为0.5、1、2和5。由式知，对应有δt＝0.002μm、0.004μm、0.008μm和0.02μm，φt＝1.52j/m2、3.05j/m2、6.09j/m2、15.23j/m2。可以看出，内聚能比q＝0.5和q＝1的两模拟曲线均比较接近实验点，二者基本重合，仅在最终破坏载荷处有一些差异；q＝2的模拟曲线大体上也比较符合，但是对断裂载荷的预测过于偏低；q＝5的模拟曲线则明显偏离实验点。计算发现，当内聚强度一定时，内聚能比q增大意味着切向内聚能增加，即切向界面特征长度增大。反映在切向内聚力—张开位移本构中，就是界面应力软化阶段变长。这会带来界面切向位移和悬臂梁端位移δ增大，表现为相同载荷水平下位移比其它曲线更大，使计算结果偏离实验曲线。相比较而言，选取q＝1时的模拟结果较为合理。

综上，在cu薄膜层遵从线弹性本构关系时确定的内聚模型诸参数分别为：内聚强度σmax＝280mpa，界面特征长度δn＝δt＝0.004μm，断裂内聚能φn＝φt＝3.05j/m2。

本发明实施例的第二个方面，提出了一种执行所述涂层界面结合强度检测方法的电子设备的一个实施例。

图12示出的是本发明提供的执行所述涂层界面结合强度检测方法的电子设备的一个实施例的硬件结构示意图。

所述执行所述涂层界面结合强度的电子设备，包括至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如上所述任意一种方法。

以如图12所示的电子设备为例，在该电子设备中包括一个处理器401以及一个存储器402，并还可以包括：输入装置403和输出装置404。

处理器401、存储器402、输入装置403和输出装置404可以通过总线或者其他方式连接，图12中以通过总线连接为例。

存储器402作为一种非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块，如本申请实施例中的所述移动终端程序的计算迁移方法对应的程序指令/模块。处理器401通过运行存储在存储器402中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行服务器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例的移动终端程序的计算迁移方法。

存储器402可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据移动终端程序的计算迁移装置的使用所创建的数据等。此外，存储器402可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，存储器402可选包括相对于处理器401远程设置的存储器。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

输入装置403可接收输入的数字或字符信息，以及产生与移动终端程序的计算迁移装置的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置404可包括显示屏等显示设备。

所述一个或者多个模块存储在所述存储器402中，当被所述处理器401执行时，执行上述任意方法实施例中的移动终端程序的计算迁移方法。

所述执行所述移动终端程序的计算迁移方法的电子设备的任何一个实施例，可以达到与之对应的前述任意方法实施例相同或者相类似的效果。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-onlymemory，rom)或随机存储记忆体(randomaccessmemory，ram)等。所述计算机程序的实施例，可以达到与之对应的前述任意方法实施例相同或者相类似的效果。

此外，根据本公开的方法还可以被实现为由cpu执行的计算机程序，该计算机程序可以存储在计算机可读存储介质中。在该计算机程序被cpu执行时，执行本公开的方法中限定的上述功能。

此外，上述方法步骤以及系统单元也可以利用控制器以及用于存储使得控制器实现上述步骤或单元功能的计算机程序的计算机可读存储介质实现。

本领域技术人员还将明白的是，结合这里的公开所描述的各种示例性逻辑块、模块、电路和算法步骤可以被实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为了清楚地说明硬件和软件的这种可互换性，已经就各种示意性组件、方块、模块、电路和步骤的功能对其进行了一般性的描述。这种功能是被实现为软件还是被实现为硬件取决于具体应用以及施加给整个系统的设计约束。本领域技术人员可以针对每种具体应用以各种方式来实现所述的功能，但是这种实现决定不应被解释为导致脱离本公开的范围。

结合这里的公开所描述的各种示例性逻辑块、模块和电路可以利用被设计成用于执行这里所述功能的下列部件来实现或执行：通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)或其它可编程逻辑器件、分立门或晶体管逻辑、分立的硬件组件或者这些部件的任何组合。通用处理器可以是微处理器，但是可替换地，处理器可以是任何传统处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以被实现为计算设备的组合，例如，dsp和微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器结合dsp核、或任何其它这种配置。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。