测量方法与复合体系力学性能关系的探讨

对于在一定工艺等条件下生产出来的某种涂层材料，其涂层的（断裂）韧性和界面结合性能可以作为其很重要的力学本征参数，但是如何将这些重要的本征参数测量出来？不同的测量方法将会影响到测量值与真实值之间的差异。科学的测量方法是测量值能真实地反映出复合体系力学性能的本征值，而要真实地反映复合体系力学性能，关键的问题是如何将外界条件的临界值转变为复合体系力学性能本征的力学表征。不同的科技工作者可能会采用不同的测试方法，相应地也可能会采用不同的力学模型、理论基础或计算方法，从而导致由测量方法所带来的误差。例如，要测量某种特定涂层材料界面的拉伸强度，若采用前面所提到的垂直拉伸法，采用弹性基体与刚性基体模型将会得出不同的结合强度值，若采用其余方法，如悬臂梁弯曲法、压痕法等，也很可能会存在一些误差，但是如果误差不是很大，则可以认为是准确的。例如，Zhang等［97］在采用侧面基体压入法测量Al2O3／铝合金基体界面结合的拉伸强度时，同时采用了垂直拉伸法与该方法做比较，发现两种测试方法所得出的界面拉伸强度在误差的范围内。再如，要测量某种特定的涂层材料界面的剪切强度，可根据该种材料体系的综合特性，在横向拉伸法、纯剪切法、四点弯曲法、压痕法等方法中有选择性地采用一种或多种方法进行对比。只要测量出来的强度值的误差不大，就可以认为是准确的。因此，对于给定的一种涂层体系，不管采用哪种测量方法，在表征指标相同的情况下，所测得的复合体系力学性能的值应该接近于本征值才是科学的，并且这些测量方法也是存在可比性的。这里，特别强调不同的测量方法在测量同一性能指标时的对比，如果表征指标不同，如要在定量、半定量和定性的表征与测量方法之间做比较，是不是可以从它们代表复合体系力学性能的强与弱的趋势的角度来考虑？例如复合体系的界面拉伸强度或剪切强度与划痕法中的临界载荷指标，从量纲的角度分析可以说根本无可比性，但是，针对同时十分适合于划痕法的特定涂层体系，如果它们测出来的值能说明该种材料体系界面结合性能在强或弱的趋势上都是一致的，那么，这些测量方法之间似乎也应该存在着可比性，因为它们至少可以说明和证实该种材料体系是属于强结合的涂层体系还是弱结合的涂层体系。最后，在表征指标相同的情形下，又如何减少由于测量方法的不同而引起的误差呢？看起来应该至少考虑以下因素。

（1）测量方法的合适选取。例如，测量的对象为较薄的涂层（nm至十几μm），采用剪切法不仅会存在难以实现的可能，也可能会存在因选择此方法而带来的较大误差。再如，被测复合体系的界面拉伸强度远大于90 MPa，如果还采用垂直拉伸法或胶黏法测量，也会存在方法上难以实施的可能和测量值与真实值的较大误差。

（2）在建立测量复合体系力学性能的力学模型时，应该考虑加载的载荷特征、涂层与基体材料的弹性性能与塑性性能以及它们之间的差异。例如，对于脆性涂层和脆性基体，可以只考虑其弹性性能；反之，则应该充分考虑其塑性性能。(www.xing528.com)

（3）在采用有限元模拟和计算复合体系的界面结合性能时，应该选择合理的界面层模型，同时，在一些关键的地方，如界面处、裂纹边界、自由边界、压入法中的压头接触部位等，须采用足够精密的网格划分密度以此减少由于网格稀疏所带来的误差。只有考虑到尽量多的影响因素，才可能尽量地减少由于测量方法的不同选取和与之相应的力学模型给真实值的测量带来的误差。

（4）在测量硬质（薄膜）涂层材料的断裂韧性时，与测量界面结合性能相类似，采用不同的方法得到韧性指标也应该是本征的或接近于本征的，并且不同的方法得到的涂层断裂韧性值应该是可以比较的，在此不再加以详述。