组合材料芯片应力腐蚀敏感性的快速检测方法 |
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| 申请号 | CN201710108626.8 | 申请日 | 2017-02-27 | 公开(公告)号 | CN106872344A | 公开(公告)日 | 2017-06-20 |
| 申请人 | 北京科技大学; | 发明人 | 高克玮; 杨杨; 庞晓露; 乔利杰; 宿彦京; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种组合材料芯片应 力 腐蚀 敏感性的快速检测方法，制备不同成分的 薄膜 ，将所有薄膜一端用夹头固定后，浸入腐蚀溶液中，随着浸泡时间的延长，不同成分薄膜的挠度不同，从而根据Stoney法可以评价每种成分薄膜的 应力 腐蚀 敏感性强弱。本发明使用组合材料芯片技术制备薄膜材料的数量可以达到上千种，能够满足薄膜材料的应力腐蚀敏感性的高通量快速检测；可以直接通过观察挠度就可以比较薄膜的应力腐蚀敏感性，操作简单，易于观察。 | ||||||
| 权利要求 | 1.组合材料芯片应力腐蚀敏感性的快速检测方法，其特征在于，所述检测方法包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 组合材料芯片应力腐蚀敏感性的快速检测方法技术领域背景技术[0002] 大多数材料的服役环境均处于腐蚀性介质以及外加应力的共同作用，这种环境下材料容易发生应力腐蚀，从而造成材料的脆性断裂，给机械设备的安全运行造成重大安全隐患。应力腐蚀敏感性就是表征材料在发生应力腐蚀时的腐蚀特征的参数。材料表面涂覆薄膜涂层作为材料防腐的主要措施之一，通常情况下选择容易发生钝化的材料作为保护涂层，能够更好的保护基体免受环境的腐蚀，但是现有的实验结果表明，这些薄膜材料在特定腐蚀性介质中，薄膜表面会生成钝化膜，这层钝化膜可以保护薄膜免受介质的腐蚀，但同时离子向薄膜内部或外部的迁移会在钝化膜和薄膜的界面处产生很大的拉应力或压应力。对于阳极溶解性应力腐蚀体系，在自然腐蚀条件下由于离子的迁移可能在表面产生附加拉应力，而附加拉应力平行于膜表面，试图使试样伸长，当外加应力也是拉应力时，这个附加拉应力会与外加拉应力叠加，促进位错发射和运动，从而在低应力或低外加应力下导致应力腐蚀裂纹形核，最终可能导致材料发生脆性断裂。同时附加拉应力越大，表明薄膜的应力腐蚀敏感性越强，应力腐蚀裂纹形核需要的外加拉应力也就越小，材料越容易发生脆性断裂。因此仅仅了解材料服役时的临界应力是远远不够的，测量薄膜的应力腐蚀敏感性对材料的服役安全性同样至关重要。目前应力腐蚀敏感性都是通过附加应力来表征，而附加应力主要通过在腐蚀性介质中材料的挠度表征。 [0003] 如今，国家正大力发展“材料基因组”工程，它的核心思想是实现材料库的高通量实验，即通过一次实验获得大量数据和数据的快速表征。组合材料芯片技术是项晓东团队在1995年提出来的一种高通量样品制备技术，利用多个不同材料的靶材，通过巧妙的设计，能够在一块基片上制备成百上千种不同成分的薄膜。它可以以任意元素为基本单元，组合集成多达10 108种不同成分、结构、物相等材料样品库，并利用高通量表征方法快速获得材~料的成分、结构、性能等信息，以实验通量的大幅度提高带来研究效率的根本转变，实现材料搜索的“多、快、好、省”。 [0004] 目前，应力腐蚀敏感性的测量仅限于金属材料，在薄膜领域还没有开展过相关性能研究，但是应力腐蚀敏感性也是薄膜材料服役时的一项重要参数，薄膜具有较小的应力腐蚀敏感性就使其在服役过程中不易发生应力腐蚀开裂。同样测量附加拉应力值可以预测薄膜材料能够承受的真实外加应力值，确保材料在安全环境下服役。 发明内容[0005] 为了解决上述问题，本发明提供一种可以快速检测薄膜材料应力腐蚀敏感性的方法，这样就可以快速筛选出组合材料芯片制备的多种成分薄膜中应力腐蚀敏感性较低的成分配比，用于组合材料芯片试样的应力腐蚀敏感性的快速检测方法。 [0006] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：组合材料芯片应力腐蚀敏感性的快速检测方法，所述检测方法包括以下步骤： 步骤1：以可溶性材料作为镀膜基体，镀膜前在基体表面遮盖掩膜，然后再进行镀膜，使基体表面获得5～1200种不同成分的薄膜样品；镀膜在超高真空镀膜机中进行镀膜，镀膜流程由计算机控制，通过设计使基体表面获得多种不同成分的薄膜，如采用铜铬两种靶材，就可以通过设计使氯化钠单晶表面获得不同铜铬配比的薄膜材料。 [0007] 步骤2：将步骤1制得的薄膜样品取出后放入溶液中浸泡，去除镀膜基体，使薄膜从基体上剥离，然后将薄膜捞出吹干、干燥后待用；步骤3：在步骤2制备的所有薄膜的背面均匀涂上一层防腐胶，将单晶硅片反光镜粘贴在防腐胶层下端的一侧，粘贴单晶硅反光镜的目的是，作为薄膜下边缘挠度读取时的参照物；去除薄膜正面的钝化膜并清洗干净后，将薄膜上端用夹具固定、自然悬挂，各不同成分薄膜样品等间距规则排列； 步骤4：用尺读望远镜调整零点后，将各不同成分薄膜样品放入腐蚀性介质槽中，用尺读望远镜读取各不同成分薄膜下端反光镜一侧的挠度，由此计算薄膜表层的附加应力，从而判断不同成分薄膜的应力腐蚀敏感性强弱。随着自然腐蚀的进行，薄膜的正面（CD面）由于与腐蚀液直接接触会发生钝化，薄膜背面（AB面）由于防腐胶的保护不发生钝化。在形成钝化膜的过程中钝化膜与薄膜界面会产生附加拉应力，薄膜的自由端（AD端）会发生弯曲，用望远镜观察每种薄膜A端的挠度，然后根据Stoney法可以计算薄膜表层的附加应力。比较附加应力值就可以获得不同成分薄膜的应力腐蚀敏感性的强弱，实现组合材料芯片试样的应力腐蚀敏感性的快速检测。 [0009] 所述组合材料芯片应力腐蚀敏感性的快速检测方法的优选技术方案为，，步骤1中所述镀膜由计算机控制，使镀膜基体表面获得8～10种不同成分的薄膜。 [0010] 所述组合材料芯片应力腐蚀敏感性的快速检测方法的优选技术方案为，步骤3中所述防腐胶为1720防腐胶。 [0011] 所述组合材料芯片应力腐蚀敏感性的快速检测方法的优选技术方案为，步骤1中镀膜前在基体表面遮盖掩膜，获得尺寸相同，外缘整齐但成分不同的薄膜。 [0012] 所述组合材料芯片应力腐蚀敏感性的快速检测方法的优选技术方案为，步骤1所述薄膜样品的厚度为10um以上。 [0013] 所述组合材料芯片应力腐蚀敏感性的快速检测方法的优选技术方案为，步骤3中所述单晶硅片反光镜的尺寸为4×4mm。 [0014] 所述组合材料芯片应力腐蚀敏感性的快速检测方法的优选技术方案为，步骤4所述薄膜表层的附加应力的计算方法为Stoney法。 [0015] 所述组合材料芯片应力腐蚀敏感性的快速检测方法的优选技术方案为，步骤2所述薄膜为长方形，其尺寸为5 8mm×50 60mm×10 15um，便于进行应力腐蚀敏感性实验要~ ~ ~求。 [0016] 本发明的技术方案具有以下有益效果：本发明使用组合材料芯片技术制备薄膜材料的数量可以达到上千种，能够满足薄膜材料的应力腐蚀敏感性的高通量快速检测；本发明使用组合材料芯片技术制备薄膜材料的形状可以根据掩膜的结构进行改变；可以直接通过观察挠度就可以比较薄膜的应力腐蚀敏感性，操作简单，易于观察；应力测量直接在溶液中完成，不需要将薄膜取出，这样就可以实现应力的阶段性原位测量。 附图说明 [0017] 图1 实施例的镀膜工艺流程示意图；图2 实施例的应力腐蚀敏感性测量示意图；1为腐蚀性介质槽，2为硅片反光镜，3为薄膜样品，4为薄膜样品背面涂的1720防腐胶，5为夹具； 图3 实施例中不同成分薄膜挠度图； 图4 图3的局部放大图。 具体实施方式[0018] 本发明提供一种组合材料芯片应力腐蚀敏感性的快速检测方法，具体检测方法包括如下：制备薄膜样品的基体选择氯化钠单晶，基体尺寸为100×100×2（mm），采用铜铬双靶磁控共溅射法通过掩膜在基体上镀上八种不同铜铬成分的长条状薄膜，如图1所示，从左至右，铜的成分从0%逐渐增加100%，相应的铬的成分100%减小到0%。然后将薄膜从基体上剥离，将所有薄膜一端用夹头固定住后，浸入1mol/L NH4OH+5g/L CuCl2溶液中，随着浸泡时间的延长，不同成分薄膜的挠度不同，并与成分的变化关系密切，从而根据Stoney法可以评价每种薄膜的应力腐蚀敏感性强弱。具体包括以下步骤及工艺条件：（1）镀膜：将表面清洁后的氯化钠单晶基体放入超高真空镀膜机中，靶材选择铜靶和铬靶，采用共溅射的方法，溅射角度选择为45º，溅射功率均为300W，镀膜时间设置为8小时。 [0019] （2）将镀完膜后的样品取出后放入无水乙醇中浸泡，氯化钠单晶会发生溶解而薄膜不会溶解，这样就能够使薄膜从基体上剥离，然后将薄膜从溶液中捞出吹干放入干燥箱中待用，薄膜尺寸约为5mm×50mm×10um。 [0020] （3）如附图2所示，在制备的所有薄膜的背面（AB面）均匀涂上一层很薄的1720防腐胶，并在AB面的下方A处均贴上一块4×4（mm）的单晶硅片反光镜。用丙酮清洗薄膜正面（CD面）后去除表面钝化膜，取出后立即用无水乙醇清洗干净，并将薄膜上端（BC端）用夹具固定，使薄膜自然悬挂，薄膜等间距规则排列。 [0021] （4）用尺读望远镜调整零点后，立即将所有薄膜垂直插入含有1mol/L NH4OH+5g/L CuCl2的玻璃槽中，薄膜浸入深度为40mm，在这种溶液中，Cu元素会发生钝化，形成钝化膜，同时也会产生附加应力，而Cr元素在这种溶液在不会发生钝化，因此也不会产生附加应力。薄膜的正面（CD面）由于与腐蚀液直接接触会发生钝化，薄膜背面（AB面）由于防腐胶的保护不发生钝化，在形成钝化膜的过程中钝化膜与薄膜界面会产生外加拉应力。因此AB面会鼓出,CD面凹陷，用望远镜观察每种薄膜A端的挠度，然后根据Stoney法可以计算薄膜表层的附加应力。比较附加应力值就可以获得不同成分薄膜的应力腐蚀敏感性的强弱，实现组合材料芯片试样的应力腐蚀敏感性的快速检测。 [0022] 经过镀膜后的长方形薄膜放入1mol/L NH4OH+5g/L CuCl2的浸蚀溶液中，一定时间后，除纯Cr薄膜外，其他成分的薄膜都会发生一定程度的弯曲，并且随着浸蚀时间的增加，挠度不断增加。对比不同程度的薄膜的挠度，发现随着Cu成分的增加，薄膜的挠度也不断增加，主要原因是由于Cu含量的增加，钝化效果更加明显，产生的附加应力也就越大，应力腐蚀敏感性也越强，薄膜发生应力腐蚀需要的外加应力也就越小。具体薄膜的挠度如图3所示。 |
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