涂基层结合力性能测试及应用

张伟杰，陈 佳

（中航工业集团 航宇救生装备有限公司， 湖北 襄阳 441003）

在表面工程与材料科学中，涂层防护是目前最为常用的方法。该方法操作简单，成本低廉，经济实用，易于维护，对基材的保护性能优异。[1-3]在实际应用中，涂层材料的使用时间基本可以决定零部件或设备的服役时间。由于工作过程繁琐与工作环境的复杂恶劣，使得涂层从基体上剥落是目前涂层失效最常见的一种方式。因此，与基体结合力较弱的涂层，在使用过程中很容易从基体上脱落，无法继续保护工件从而缩减其使用寿命。在相同的外界条件下，涂基层结合力越大，界面的韧性越好，抵抗界面产生裂纹的能力就越强，涂层则越不易从基体上剥落，也就能更好地保护工件延长其使用寿命。所以，评价与表征膜基层结合力具有十分重要的意义。

涂层结合强度包括基体和涂层之间的结合强度以及涂层颗粒之间的结合强度，它反映了涂层的力学性能，是涂层质量的一项重要指标。[4]结合强度一般可用两种形式测得：一种是力的形式，测量涂层从基体上分离开时单位面积上所需的最小力；另一种是能量的形式，测量涂层从基体上分离开时单位面积上所需的能量，通常用剥离功来表示。涂层与基材结合力的检测方法有很多种，大致分为定性检测和定量检测。定性检测有划圈法、划格法、冲击法等，这些方法简便易行，但存在一定的问题；定量检测有拉伸法、压入法、无损检测法等。无损检测技术中的超声波和X射线衍射等方法能够较为准确表征涂层与基材间结合力，以满足涂层研究工作的需求。本文针对一种实际使用范围较广的膜基材料对比几种膜基结合力测试方法，以具体实验方法及数据论证膜基结合力的检测技术及其实际应用操作性，重点论述无损检测技术在膜基结合力测试中的应用及发展。

一、试验

（一）原料与试剂

环氧硝基磁漆，H04-2型，西安经建油漆股份有限公司；稀释剂，X-1型，西安经建油漆股份有限公司；双组份胶黏剂（环氧树脂，128型，中国石化集团资产经营管理有限公司巴陵石化分公司；低分子量聚酰胺树脂，天津燕海化学有限公司）；马口铁板，130 mm×60 mm×2 mm；自制拉伸试样，圆柱面直径为25 mm。

（二）膜基材料制备

1.膜基片试样制备：用200#水砂纸反复打磨马口铁板，去掉镀锡层，用二甲苯洗净、檫干；将涂料与专用稀释剂以一定比例混合，搅拌均匀，静置一段时间后喷涂于马口铁板上；在120℃烘箱中干燥1.5 h，取出冷却后标记。

2.垂直拉伸试样制备：将对接的金属圆柱试样表面做与马口铁板同样的前处理。取上述膜基片剪裁至与圆柱面大小一致，调配双组份胶黏剂，涂于试柱表面，将剪切好的膜基片置于试柱表面，对准后进行粘接，于50℃烘箱中加压固化2 h后取出。

图1 划格法评级判断标准图

（三）表征与测试

（1）涂层在基材上的附着力用划格仪根据GB/T9286－98进行测定。

（2）用电子拉伸试验机（AG－IS 10 KN，日本SHIMADZU）用拉伸法测量膜基结合力。

（3）用维氏硬度计（251VRSA－VM，意大利 AFFRI）打出漆膜压痕，金相显微镜（SIP No.MC02046蔡司光学仪器国际贸易有限公司）观察压痕形貌，以此判断膜基界面结合力。

（4）利用无损检测中的超声波仪（USN 60 SW，美国GE）测量膜基反射波强度，通过对比分析，定量测试漆膜在基材上的界面结合力。

二、结果与讨论

（一）划格法

用划格仪切割涂膜至基材形成网格形划痕，再用美国3M胶粘带粘附后撕开，观察涂料的剥落情况，对涂膜的附着情况进行评级。该方法是根据国标GB/T9286－98执行，也是实际涂膜附着力测量中用到最多的一种方法。测试方法简单易行，结果直观明确，不过结果难以进行定量分析。

测试结果分为五个等级（见图1）：0级（最好），代表格子边缘没有任何剥落，切口边缘完全光滑，无一格脱落；1级，脱落面积≤5%；2级，脱落面积5%～15%；3级，脱落面积15%～35%；4级，脱落面积35%～65%；5级（最差），脱落面积≥65%，代表涂层附着力极差，极易与基材分离，基本已经失去对基材的保护能力。实验根据GB/T9286－98进行测试，对比图1得到漆膜附着力为1级，附着效果较好。

（二）拉伸法

拉伸法原理是在垂直薄膜与基片的界面方向上施加一拉力，逐渐加大该载荷，使得膜基脱离，此时的力值即为膜基结合强度。[5]拉伸法测试膜基结合强度以美国ASTM C633标准为通用方法，[6]在一个对偶式样的端面喷涂上涂层后用胶黏剂把涂层面和另一个对偶试样的端面对准黏结固化，除去黏结处多余胶黏剂后进行拉伸试验，测得膜基结合力。（见图2）

图2 用于界面结合性能测试的拉伸样品及实际测试样示意图

按照上述实验方法测量涂层与基材的界面结合力，结果如表1所示。实验同时对比了胶黏剂与基材的结合强度，涂料与打磨、未打磨基材的结合强度，其中以涂料与打磨后基材的结合强度较大，达到4.61 MPa，定量测得其在基材上附着力为2 262 N。

表1 不同材料的界面结合强度

（三）压入法

压入法的基本原理是在不同载荷下对涂层试样进行压痕试验。[7]当载荷不大时，涂层与基体一起变形，达到某一载荷时，膜基协调变形的条件破坏,涂层产生圆环状剥落，用开始剥落的临界载荷或“压痕负荷—径向裂纹长度”曲线的斜率来表征膜基结合强度。[8]（见图3）

图3 涂层表面压入法示意图

本实验选择维氏硬度计，采用逐级加载方式，以0.3 kg、0.5 kg、1 kg、2 kg、3 kg、5 kg、10 kg、20 kg、30 kg、50 kg十种（在图4中序号由1至10）不同的载荷作用于涂层表面形成压痕，载荷保持时间为20 s。压痕随载荷增大也由小变大，载荷大于临界载荷后，在菱形压痕或十字压头造成的压痕周围出现裂纹，临界载荷即为压痕周围涂层剥落或形成裂纹的前一级载荷。[9]压痕在光学金相显微镜100倍放大倍率下进行观察，所得结果如图4所示。不同载荷在试样上裂纹的显微镜图（400倍）见图5。根据实验结果可以得出本实验中漆膜的临界载荷为10 kg，即980 N，漆膜出现明显十字压痕，漆膜裂纹清晰可见，可见此法也能够相对定性的表征漆膜与基材的结合强度。

图4 不同载荷在试样上维氏压痕的光学金相显微照片（100倍）

图 5 不同载荷（a.10 kg；b.20 kg；c.30 kg；d.50 kg）在试样上裂纹的显微镜图（400倍）

（四）无损检测法

超声波法是无损检测方法中十分常用的一种手段，具有非破坏性，根据超声反射波在涂层试样中的反射强度或传播速度来判断界面结合强度（见图6）。反射波强度越高，表明界面结合强度越高；反射波传播速度越快，表明涂层密度和显微硬度越大，孔隙度越小，性能越好。

图6 超声波原理示意图

图7 基材超声波实际测量图（左：打磨后基材；右：未打磨基材）

由表1拉伸法测涂层界面结合强度结果可知，涂层与打磨后的基材结合强度大于与未打磨的基材结合强度，反映在超声波测试图中亦是如此，图7中的界面反射波振幅左图（打磨后基材）明显高于右图（未打磨后基材）。由此可知，可利用超声波法定性判断涂层在基材上的界面结合强度的大小，实验结果表明其二者呈正比关系。不过后续仍需要对比测试大量的数据以确定超声波强度与涂基层界面结合强度的关系，做到利用无损检测中的超声波法定量测试涂基层结合力，为分析研究涂层性能提供更为严谨的实验数据，也便于实际生产中涂层在无损情况下测试其附着力的应用推广。

三、结论

由实验测量结果可得出，实验选择的航空航天中较为常用的H04-2型环氧硝基磁漆与基材结合力通过划格法在GB/T9286-98指导下进行测试评定为1级，利用垂直拉伸法测定的膜基结合强度为4.61 MPa，用维氏硬度计以压入法测量得到的临界载荷为10 kg（即980 N），超声波测试可见其界面反射波明显增强，说明膜基结合力大。

目前在膜基结合力的测试中尚无一种公认理想的定量测试方法，同一种试样用不同方法测得的界面结合强度数据出入较大,可比性一般。本实验利用划格法、拉伸法、压入法和超声法这四种膜基结合力测试方法对涂层进行界面结合力的测试并取得结果，说明这些方法的实际可操作性，同时为以后利用无损检测技术测试涂层结合力等性能提供实际依据。

参考文献：

［1］Freund L B,Suresh S.Thin Film Materials,Stress,Defect Formation and Surface Evolution[M].Cambridge：Cambridge University Press,2003.

［2］徐滨士，朱绍华.表面工程的理论与技术[M].北京：国防工业出版社，1999.

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［4］北京航空材料研究院.航空材料技术[M].北京：航空工业出版社，2013.

［5］马峰，蔡王旬.膜基界面结合强度表征和评价[J].表面技术，2001（5）：15-19.

［6］胡奈赛，徐可为，何家文.涂、镀层的结合强度评定[J].中国表面工程，1998（1）：31-35.

［7］苏修梁，张欣宇.表面涂层与基体间的界面结合强度及其测定[J].电镀与环保，2004（2）：6-11.

［8］杨班权，陈光南，张坤，罗耕星，肖京华.涂层/基体材料界面结合强度测量方法的现状与展望[J].力学进展，2007（1）：67-79.

［9］韦习成，李健，袁成清.基体表面粗糙度对磁控溅射TiN涂层界面结合力的影响[J].机械工程材料，2001（1）：35-37.