涂基層結(jié)合力性能測試及應(yīng)用

張偉杰，陳 佳

（中航工業(yè)集團 航宇救生裝備有限公司， 湖北 襄陽 441003）

在表面工程與材料科學(xué)中，涂層防護是目前最為常用的方法。該方法操作簡單，成本低廉，經(jīng)濟實用，易于維護，對基材的保護性能優(yōu)異。[1-3]在實際應(yīng)用中，涂層材料的使用時間基本可以決定零部件或設(shè)備的服役時間。由于工作過程繁瑣與工作環(huán)境的復(fù)雜惡劣，使得涂層從基體上剝落是目前涂層失效最常見的一種方式。因此，與基體結(jié)合力較弱的涂層，在使用過程中很容易從基體上脫落，無法繼續(xù)保護工件從而縮減其使用壽命。在相同的外界條件下，涂基層結(jié)合力越大，界面的韌性越好，抵抗界面產(chǎn)生裂紋的能力就越強，涂層則越不易從基體上剝落，也就能更好地保護工件延長其使用壽命。所以，評價與表征膜基層結(jié)合力具有十分重要的意義。

涂層結(jié)合強度包括基體和涂層之間的結(jié)合強度以及涂層顆粒之間的結(jié)合強度，它反映了涂層的力學(xué)性能，是涂層質(zhì)量的一項重要指標。[4]結(jié)合強度一般可用兩種形式測得：一種是力的形式，測量涂層從基體上分離開時單位面積上所需的最小力；另一種是能量的形式，測量涂層從基體上分離開時單位面積上所需的能量，通常用剝離功來表示。涂層與基材結(jié)合力的檢測方法有很多種，大致分為定性檢測和定量檢測。定性檢測有劃圈法、劃格法、沖擊法等，這些方法簡便易行，但存在一定的問題；定量檢測有拉伸法、壓入法、無損檢測法等。無損檢測技術(shù)中的超聲波和X射線衍射等方法能夠較為準確表征涂層與基材間結(jié)合力，以滿足涂層研究工作的需求。本文針對一種實際使用范圍較廣的膜基材料對比幾種膜基結(jié)合力測試方法，以具體實驗方法及數(shù)據(jù)論證膜基結(jié)合力的檢測技術(shù)及其實際應(yīng)用操作性，重點論述無損檢測技術(shù)在膜基結(jié)合力測試中的應(yīng)用及發(fā)展。

一、試驗

（一）原料與試劑

環(huán)氧硝基磁漆，H04-2型，西安經(jīng)建油漆股份有限公司；稀釋劑，X-1型，西安經(jīng)建油漆股份有限公司；雙組份膠黏劑（環(huán)氧樹脂，128型，中國石化集團資產(chǎn)經(jīng)營管理有限公司巴陵石化分公司；低分子量聚酰胺樹脂，天津燕?；瘜W(xué)有限公司）；馬口鐵板，130 mm×60 mm×2 mm；自制拉伸試樣，圓柱面直徑為25 mm。

（二）膜基材料制備

1.膜基片試樣制備：用200#水砂紙反復(fù)打磨馬口鐵板，去掉鍍錫層，用二甲苯洗凈、檫干；將涂料與專用稀釋劑以一定比例混合，攪拌均勻，靜置一段時間后噴涂于馬口鐵板上；在120℃烘箱中干燥1.5 h，取出冷卻后標記。

2.垂直拉伸試樣制備：將對接的金屬圓柱試樣表面做與馬口鐵板同樣的前處理。取上述膜基片剪裁至與圓柱面大小一致，調(diào)配雙組份膠黏劑，涂于試柱表面，將剪切好的膜基片置于試柱表面，對準后進行粘接，于50℃烘箱中加壓固化2 h后取出。

圖1 劃格法評級判斷標準圖

（三）表征與測試

（1）涂層在基材上的附著力用劃格儀根據(jù)GB/T9286－98進行測定。

（2）用電子拉伸試驗機（AG－IS 10 KN，日本SHIMADZU）用拉伸法測量膜基結(jié)合力。

（3）用維氏硬度計（251VRSA－VM，意大利 AFFRI）打出漆膜壓痕，金相顯微鏡（SIP No.MC02046蔡司光學(xué)儀器國際貿(mào)易有限公司）觀察壓痕形貌，以此判斷膜基界面結(jié)合力。

（4）利用無損檢測中的超聲波儀（USN 60 SW，美國GE）測量膜基反射波強度，通過對比分析，定量測試漆膜在基材上的界面結(jié)合力。

二、結(jié)果與討論

（一）劃格法

用劃格儀切割涂膜至基材形成網(wǎng)格形劃痕，再用美國3M膠粘帶粘附后撕開，觀察涂料的剝落情況，對涂膜的附著情況進行評級。該方法是根據(jù)國標GB/T9286－98執(zhí)行，也是實際涂膜附著力測量中用到最多的一種方法。測試方法簡單易行，結(jié)果直觀明確，不過結(jié)果難以進行定量分析。

測試結(jié)果分為五個等級（見圖1）：0級（最好），代表格子邊緣沒有任何剝落，切口邊緣完全光滑，無一格脫落；1級，脫落面積≤5%；2級，脫落面積5%～15%；3級，脫落面積15%～35%；4級，脫落面積35%～65%；5級（最差），脫落面積≥65%，代表涂層附著力極差，極易與基材分離，基本已經(jīng)失去對基材的保護能力。實驗根據(jù)GB/T9286－98進行測試，對比圖1得到漆膜附著力為1級，附著效果較好。

（二）拉伸法

拉伸法原理是在垂直薄膜與基片的界面方向上施加一拉力，逐漸加大該載荷，使得膜基脫離，此時的力值即為膜基結(jié)合強度。[5]拉伸法測試膜基結(jié)合強度以美國ASTM C633標準為通用方法，[6]在一個對偶式樣的端面噴涂上涂層后用膠黏劑把涂層面和另一個對偶試樣的端面對準黏結(jié)固化，除去黏結(jié)處多余膠黏劑后進行拉伸試驗，測得膜基結(jié)合力。（見圖2）

圖2 用于界面結(jié)合性能測試的拉伸樣品及實際測試樣示意圖

按照上述實驗方法測量涂層與基材的界面結(jié)合力，結(jié)果如表1所示。實驗同時對比了膠黏劑與基材的結(jié)合強度，涂料與打磨、未打磨基材的結(jié)合強度，其中以涂料與打磨后基材的結(jié)合強度較大，達到4.61 MPa，定量測得其在基材上附著力為2 262 N。

表1 不同材料的界面結(jié)合強度

（三）壓入法

壓入法的基本原理是在不同載荷下對涂層試樣進行壓痕試驗。[7]當(dāng)載荷不大時，涂層與基體一起變形，達到某一載荷時，膜基協(xié)調(diào)變形的條件破壞,涂層產(chǎn)生圓環(huán)狀剝落，用開始剝落的臨界載荷或“壓痕負荷—徑向裂紋長度”曲線的斜率來表征膜基結(jié)合強度。[8]（見圖3）

圖3 涂層表面壓入法示意圖

本實驗選擇維氏硬度計，采用逐級加載方式，以0.3 kg、0.5 kg、1 kg、2 kg、3 kg、5 kg、10 kg、20 kg、30 kg、50 kg十種（在圖4中序號由1至10）不同的載荷作用于涂層表面形成壓痕，載荷保持時間為20 s。壓痕隨載荷增大也由小變大，載荷大于臨界載荷后，在菱形壓痕或十字壓頭造成的壓痕周圍出現(xiàn)裂紋，臨界載荷即為壓痕周圍涂層剝落或形成裂紋的前一級載荷。[9]壓痕在光學(xué)金相顯微鏡100倍放大倍率下進行觀察，所得結(jié)果如圖4所示。不同載荷在試樣上裂紋的顯微鏡圖（400倍）見圖5。根據(jù)實驗結(jié)果可以得出本實驗中漆膜的臨界載荷為10 kg，即980 N，漆膜出現(xiàn)明顯十字壓痕，漆膜裂紋清晰可見，可見此法也能夠相對定性的表征漆膜與基材的結(jié)合強度。

圖4 不同載荷在試樣上維氏壓痕的光學(xué)金相顯微照片（100倍）

圖 5 不同載荷（a.10 kg；b.20 kg；c.30 kg；d.50 kg）在試樣上裂紋的顯微鏡圖（400倍）

（四）無損檢測法

超聲波法是無損檢測方法中十分常用的一種手段，具有非破壞性，根據(jù)超聲反射波在涂層試樣中的反射強度或傳播速度來判斷界面結(jié)合強度（見圖6）。反射波強度越高，表明界面結(jié)合強度越高；反射波傳播速度越快，表明涂層密度和顯微硬度越大，孔隙度越小，性能越好。

圖6 超聲波原理示意圖

圖7 基材超聲波實際測量圖（左：打磨后基材；右：未打磨基材）

由表1拉伸法測涂層界面結(jié)合強度結(jié)果可知，涂層與打磨后的基材結(jié)合強度大于與未打磨的基材結(jié)合強度，反映在超聲波測試圖中亦是如此，圖7中的界面反射波振幅左圖（打磨后基材）明顯高于右圖（未打磨后基材）。由此可知，可利用超聲波法定性判斷涂層在基材上的界面結(jié)合強度的大小，實驗結(jié)果表明其二者呈正比關(guān)系。不過后續(xù)仍需要對比測試大量的數(shù)據(jù)以確定超聲波強度與涂基層界面結(jié)合強度的關(guān)系，做到利用無損檢測中的超聲波法定量測試涂基層結(jié)合力，為分析研究涂層性能提供更為嚴謹?shù)膶嶒灁?shù)據(jù)，也便于實際生產(chǎn)中涂層在無損情況下測試其附著力的應(yīng)用推廣。

三、結(jié)論

由實驗測量結(jié)果可得出，實驗選擇的航空航天中較為常用的H04-2型環(huán)氧硝基磁漆與基材結(jié)合力通過劃格法在GB/T9286-98指導(dǎo)下進行測試評定為1級，利用垂直拉伸法測定的膜基結(jié)合強度為4.61 MPa，用維氏硬度計以壓入法測量得到的臨界載荷為10 kg（即980 N），超聲波測試可見其界面反射波明顯增強，說明膜基結(jié)合力大。

目前在膜基結(jié)合力的測試中尚無一種公認理想的定量測試方法，同一種試樣用不同方法測得的界面結(jié)合強度數(shù)據(jù)出入較大,可比性一般。本實驗利用劃格法、拉伸法、壓入法和超聲法這四種膜基結(jié)合力測試方法對涂層進行界面結(jié)合力的測試并取得結(jié)果，說明這些方法的實際可操作性，同時為以后利用無損檢測技術(shù)測試涂層結(jié)合力等性能提供實際依據(jù)。

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