涂层附着力的检查和涂层失效分析是至关重要的方法确定涂层的寿命和性能。粘合失败包括涂层从基体分离,可以由机械或热应力引起的,腐蚀,或化学降解。1涂层材料的分离可能会发现在许多不同的格式:开裂、分层188金宝搏bet官网,散裂,凿或塑性变形。失败是很常见的多种类型的特性发生在一个单一的应用程序。检查涂层附着力和涂层失效分析需要可靠和实用的方法用于量化coating-to-substrate粘附强度和描述失败的机制。粘附强度数据和粘附失效机制阻止或拖延粘连故障的重要信息。理解这些地区改善涂层质量和整体性能。
米塔尔说,“粘附强度”可以从两种不同的观点:认为“基本附着力”和“实用附着力”。2基本粘附涉及两个理想的光滑表面之间的内在属性;所有分子间的求和或原子间的吸引力,由于化学或物理交互的接口。基本的粘附可以表示为:W12= g1+ g2- g12,克1和g2代表两个特定表面的表面自由能,1和2,g12代表表面自由能之间的界面表面表面1和2。3根本的粘附是热力学努力打破化学键或特定能量需要单独的两个表面,取决于两个接触表面之间的分子间的相互作用。基本的粘附是决定涂料粘附强度的主要因素。这个因素可以通过表面自由能的分析通过测量接触角测量通过选择合适的探针液体和理论。4从基本的附着力,涂料可以限定为“好”或“穷”为他们的应用程序,和涂层粘附基质可以改善通过修改组件的表面自由能。然而,了解基本的附着力没有提供信息实际工作需要打破的涂层衬底。
实用的附着力,另一方面,更多的是一个工程术语。根据定义,实际应用粘附力,或工作需要,分离基体的涂层。实际涂层可以影响附着力的内在基本粘附以及其他许多因素,如涂膜厚度、粗糙度的衬底,力学性能的涂层和衬底的表面化学。测量结果的实际附着力也可能受到影响的测试方法。测量实际附着力存在的差异,即使使用相同的测试方法有不同的测试参数。5
有许多种技术或分析方法用于实际粘附的决心。最常见的方法包括扯下方法,强调覆盖物试验,弯曲试验,泡测试,双悬臂梁试验,冲击波测试、微悬臂挠度测试、划痕试验、压痕试验。简要回顾这些测试方法中可以找到陈的论文。1使用一个适当的附着力试验方法必须最小化coating-substrate体系的塑性变形和最大应力粘附失败负责。1当附着力低,大多数测试方法可用于获得可靠的结果提供必要的校准。随着附着力强,测试方法的选择是减少。等涂层附着力强氧化物涂层在玻璃、可靠的测量主要是通过测试。本文主要关注为实际粘附评价划痕测试的应用程序。
一般的指导原则是,ASTM C1624-05划痕试验方法标准提供了一个实用的粘附强度的确定和检查机械故障模式的陶瓷涂料。6在实践中,相同的工作原理,对于这种划痕试验,也被应用于软涂料,如聚合物涂料。对聚合物涂料、机械性能强烈依赖于测试温度,在某些情况下,湿度。测试必须在类似的环境中执行保证可重复的结果。当剩余划痕深度感兴趣的,对某些自修复聚合物涂料表现出机械损伤,建议24小时被允许对粘弹性恢复。7
图1显示了一个示意图的划痕试验机的一般操作时测量。划痕试验期间,一个钻石或其他硬质材料制成的笔绘制线性在涂层表面,而一个常数或进步的正常负载应用。188金宝搏bet官网结果,唱针划伤涂层,达到并通过涂层衬底界面。连贯和附着失败可能引入涂层和底物系统。研究获得的数据直接从划痕测试和post-scratch收益率有用的信息关于涂层本身的微观分析和coating-substrate系统。典型的划痕长度应该是足够长的时间来允许划伤事件演变和发生而间距任意两个抓跟踪应该足够大,以避免划痕和之间的交互影响从先前的划痕。
常数负载划痕试验保持相同的法向力笔的笔以一个恒定的位移移动速度相对于样品表面。相比之下,逐步加载划痕试验有一个线性增加法向力的手写笔的笔以一个恒定的位移移动速度相对于样品表面。比较这两种测试方法时,恒定负载测试具有更好的歧视不同加载水平和不均匀的涂层,和更大的统计信心失败事件对于一个给定的负载。恒定负载测试的缺点是,它需要更多的时间和空间为多个测试在不同荷载水平下,可能错过失败事件之间的中间加载水平。进步与单个划痕试验负载测试可以揭示不同失效模式在使用一系列的负载。在这一过程中,它具有更好的标本利用和消耗时间少的可怜。与进步的负载测试有两个实验变量,负载和位置,同时改变。因此,它将提供更少的划痕故障特征在一个恒定负载相比划痕。重复的划痕是必要的确认草稿失败或调查样本一致性。
几个重要信号记录和用于确定连贯和粘附在划痕试验失败事件,如法向力,正常的位移、侧向力、侧向位移、摩擦系数、残余深度、声发射,等等。在划痕试验,涂层可能开始表现出超然的基质在一定的正常负载。当这种情况发生时,划痕通常数据显示突然减少的切向力和穿透深度的增加。界面粘附发生故障时法向力称为界面粘合破坏的临界载荷(Lc)。关键的负载是最重要的一个参数在划痕试验确定。对多层涂层,可以发现一些关键负载的切向力和穿透深度的变化测试图。界面粘合破坏的临界载荷是一个很好的指标界面粘附强度的涂层衬底。通常情况下,更高的临界荷载代表更高的附着力。然而,真正的界面粘附和临界载荷之间的关系比较复杂,可能受到许多因素的影响,如材料的断裂韧性,膜厚度,等。当膜表面拉应力正常驱动分层,分层发生的临界载荷呈现以下粘附与实际工作的关系:188金宝搏bet官网
pr22电子战1/2
lc= _________ (______)
2h
其中r是probe-material接触半径;h是膜厚度;E是涂膜的杨氏模量和W是粘附的实际工作。8
图2表示一个划痕试验数据图的进步负载划痕试验(负载从0.1到10 n)上执行一个硬涂层钢衬底。在这个图中,几种典型曲线特征可以很容易地确定。当正常负载小于3520 mN,摩擦力、摩擦系数和穿透深度显示平滑线性增加,声发射信号是低和平坦。3520正常负载锰、突然的穿透深度增加6µm 13µm可以看到。与此同时,摩擦力和摩擦系数都增加突然随着法向力的增加。声发射信号跳跃。这些现象是涂层附着力分层或失败的迹象。在这一点上,随着应用的法向力不断增加,故障事件发生在界面增加的频率和严重程度。所有数据显示暴力波动由于涂层附着力的启动和停止失败。涂层附着力的启动和停止失败是一个过程,积累能量的技巧克服了涂料粘附强度。 This causes coating delamination and releases energy. This process repeats itself and retains similar characteristics to stick-slip in friction. A closer look at the graph reveals that acoustic discrete peaks always correspond with the sudden drops of frictional force and friction coefficient. This suggests that coating detachments release elastic energy in acoustical format. The critical load of interfacial adhesion failure, for this particular coating-substrate sample, was determined from the start of the adhesion failure at a normal force of 3520 mN.
然而,并非所有的戏剧性的变化数据图检测划痕试验期间可以与界面粘附失败。他们也可能由于其他活动如表面形貌、粗糙度变化,性质不均匀,涂层的失败,等。直接和互补的方法评估失败是光学显微镜,扫描电子显微镜(SEM)和扫描探针显微镜(SPM)分析。通常旅行光学显微镜系统是不可或缺的嵌套组件标准划痕试验系统。6SEM, SPM和其他分析技术可以采取前后划痕测试。抓数据图和微观分析可用于串联调查涂层附着力的失败。图3是一个光学图像的划痕上执行相同的涂料示例如图2所示。很明显,之前失败的临界点(图像的中心点)抓跟踪边缘薄,含有光滑。严重故障点后,涂层附着力失败开始,沿刮刮散裂的迹象。
根据电影和底物的性质,涂料表现出超然的各种模式,或组合,如不同类型的开裂、翘曲,散裂,凿和塑性变形。9在脆性基体,脆性涂层通常显示了拉伸开裂,剥落和凿涂层和底物。而韧性涂层显示塑性变形和保形开裂、剥落和腹失败在涂层基质裂缝。在韧性基质,脆性涂层显示了拉伸和赫兹裂缝和进展凿和散裂的衬底是畸形的。然而,韧性涂层韧性基质显示变形对涂层和基体,并产生拉伸和保形开裂主要屈曲失败的涂层。综合描述、图形和失效模式的照片可以在ASTM C1624-05找到。
光学检验对医疗设备涂料的应用至关重要。许多医疗设备,特别是那些直接接触人体,如引导电线、导管或支架,有一层薄薄的涂层,以增加其生物相容性和其他治疗功能。如果表面涂层附着力故障,不仅是设备的功能受损,但分离粒子,根据大小和数量,会造成更严重的健康后果,包括死亡。很多次,主要医疗回忆引导线等设备由于涂层容易受损,分离。例如,小粒子分离碎片可能引发炎症反应,即使散装材料生物相容性。188金宝搏bet官网10分层和超然的聚四氟乙烯涂料用于心脏引导电线可能导致凝块,这可能导致中风或心脏病发作。11建议光学显微镜和SEM调查后进行划痕测试涂层的医疗设备。这些调查技术的帮助与理解特征分离的涂层材料,如形态、粒子形状和大小,大小分布和超然的碎片。188金宝搏bet官网这种涂料的分析有利于安全应用医疗设备。
实验的案例研究
在大多数工业用涂料,如医疗设备、半导体和电子、涂料厚度从几纳米到数百微米不等。因此,研究涂层附着力可能在nano,执行宏观或微观的规模。在本节中,实验技术的微型和纳米划痕试验将讨论通过三个具有代表性的例子。微划痕测试报告在这里执行结合microindentation和微痕测试仪(CSM仪器生产的SA、瑞士)。纳米划痕测试执行的纳米机械测试系统(由Hysitron制造公司,美国)。光学显微镜是用光学显微镜可用微痕试验机和纳米机械测试系统。SEM和EDS分析执行JEOL 6610 lv SEM(由JEOL制造,日本)配备一个力量XFlash 6 | 30能量色散x射线谱仪系统(由力量制造公司,美国)。SPM分析与现场SPM进行纳米机械测试系统的成像能力。
类金刚石碳涂层的微痕分析M2钢
类金刚石碳(DLC)是一种无定形碳材料作为涂层材料得到了广泛的应用。188金宝搏bet官网近年来DLC已经使用在医疗器械行业由于其优越的力学性能和良好的生物相容性。12使用DLC膜的非凡的优势之一是其高耐磨性。DLC-coated阐明植入节目基本上没有穿涂料1.01亿连接的模拟体内清晰度的对应于大约101年。13然而,同样优越的力学性能,即硬度高,相反很难结合底物被涂。在许多情况下,一个附着力促进剂夹层用于改善DLC的粘附基质。14
DLC膜附着力失败,尤其是医学应用,在研究领域仍在进行中。典型的DLC膜失败原因可能是机械、化学、生物或其组合。13-18李等人研究了屈曲分层DLC膜之间的界面和一个不锈钢衬底microtensile加载来模拟人体条件下。16散裂的DLC膜和失败发生在一个半圆形的形状初始粘性后裂缝基质开发和接口。Hauert系统研究界面裂纹增长,可能是由于氢脆、电、裂隙或点状腐蚀adhesion-promoting夹层。他发现在盐水测试解决方案不够模仿测试体内,蛋白质发挥着重要的作用,尤其是对缝隙腐蚀。17也表明,浸biofluid DLC膜的一个月可能会降低界面强度达75%。18
DLC膜的广泛应用所要求的那样,DLC膜涂布到M2钢样品的划痕测试是使用微痕测试仪由CSM仪器。抓数据呈现在图4和划痕轨道区段的光学显微镜图如图5所示。从图4和图5,DLC膜涂料表现出独特的划痕故障特征的跟踪。三个关键负载Lc 1, Lc 2, Lc 3 0.59 N, 2.33 N, N和2.83对应于粘性裂纹的发作,分别胶散裂和总散裂的胶粘剂。摩擦系数的变化和正常位移测试的数据关联与光学特性涂层三临界点的失败(图5)。
Nanoscratch薄有机涂层在金属衬底的分析
与涂层技术的进步,超薄电影(低至几纳米)被行业广泛应用。最近的一个快速发展的领域是石墨烯的应用,用于智能医疗设备在遥感应用中,电子电路和石墨烯能源。19显然,纳米表征技术越来越重要,更重要的是未来。Nanoscratch测试依赖于同样的原则作为微痕测试。nanoscratch和微痕的一个明显区别是nanoscratch适用电影有厚度在纳米尺度下而不是微米尺度。当然nanoscratch集本身除了微痕增加载荷和位移控制和传感功能。李等人研究了界面粘合破坏的临界载荷的超薄DLC膜厚度3.5 nm和20 nm之间。20.他们发现临界载荷随膜厚度增加,由于更好的负载容量。其他研究粘附,20海里超薄DLC薄膜的三种类型,认为nanoscratch测试系统有很好的敏感性检测超薄大衣开裂,分层和脆性断裂。21
Nanoscratch系统能够进行Nanoscratch测试预先确定划痕长度通过坡道,恒定负载或与其他控制参数。如图6所示,在nanoscratch测试,四个参数正常,正常的位移、侧向力和侧向位移——测量并记录作为时间的函数。从这些参数,综合信息材料nanoscratch属性可以为特征。一般nanoscratch特征属性包括样品表面之间的摩擦和探针,界面失效的临界荷载和抗划伤。
除了确定临界载荷的界面粘附失败,nanoscratch测试可用于评价材料的耐划痕。它也可以用来模拟3月通过量化的最小负载电阻产生明显的划痕。Mar阻力可以确定为表面光泽的变化,测量划痕宽度和划痕深度下选择负载。抵抗3月可以特别重要的应用,如汽车完成实验。通过nanoscratch摩擦测量被认为是非常有用的在研究薄膜摩擦特性在极轻负载下或非常高的接触压力。Nanoscratch被认为是一个宝贵的工具研究摩擦机制和碎片在nanotribology代。
一些nanoscratch测试人员配备现场SPM功能。其他人可能原子力显微镜(AFM)添加到帮助分析。SPM是许多不同种类的通用术语基于光栅扫描探针显微技术在表面。这是用于检测材料表面的物理和化学性质。AFM是SPM技术之一。扫描隧道显微镜(扫描穿隧显微镜)和AFM有很高的分辨率,高到足以获得原子尺度的“表面的图像。22他们可以使用在高真空下,在空气中或在溶液中。现场SPM和AFM nanoscratch测试仪,可以用来研究前后划伤表面。这个测试可以用来描述跟踪以及划伤表面。图7是一个3 d渲染SPM图像获得的聚合物薄膜上的划痕进行金属衬底。抓轨道中心的图像和表面形态清晰可见。
SEM / EDS分析划痕的失败PTFE-Coated不锈钢导线
其他互补技术分析刮涂料SEM的失败和能量色散x射线能谱(EDS)。在串联工作,SEM和EDS分析可以揭示大量的有用的信息在草稿失败过程,机制,以及材料的反抓痕属性。与SEM系统,显微图可以采取形态学检查有助于了解划痕表面形式和变化。划伤表面的SEM显微图比光学显微镜可以透露更多细节,划痕测试仪上可用。这是由于SEM的更大的景深,更高的分辨率和更大的放大。除了SEM观察,EDS系统可以进一步协助识别和量化的化学成分微感兴趣的领域。这是通过测量原子产生的特征x射线在涂层和基体材料。188金宝搏bet官网SEM和EDS分析更为关键的超薄涂层光学显微镜下是透明的。
聚四氟乙烯(PTFE)涂层不锈钢导线在许多医疗应用很受欢迎。聚四氟乙烯涂料应用于金属表面为光滑的表面处理,减少摩擦,提高润滑性和耐用性的引导线。聚四氟乙烯涂层附着力的准绳是至关重要的不仅对所需的功能,还对病人的健康和安全为准绳是被使用。一个不受欢迎的问题是脱落的涂层材料由于附着力问题。根据粒子大小和数量,可能导致脱落的栓塞引起的堵塞通道或堵塞血管。因此划痕测试和SEM和EDS微量分析的聚四氟乙烯涂料涂层的可以在考试中至关重要的安全原因。
一般来说,PTFE-coated引导电线可能由一个单一的涂层或多个涂层系统(例如,最下面的一层夹大衣)。这些涂层系统通常由水或溶剂性系统,可能与表面活性剂分散,mar艾滋病、造型工具、颜料、附着力促进剂,等。由于高温固化烧结聚合物,大多数添加剂废气在治疗步骤。聚四氟乙烯烧结,一件风衣系统构建凝聚强度通过纠缠和two-coat系统混合坚持。坚持的轻便外套最下面的一层,一件风衣系统在社区医疗涂层基质是重要的参数。涂层硬度是结晶度的函数、分子量、纠缠和过程的温度。当固化聚四氟乙烯,目的不是降低聚合物在过高的温度下,不要在聚合物治疗下,因为这影响烧结的程度和涂层力学性能。Nano-scratch PTFE-coated样本上允许操作员调整工艺参数,满足他们的治疗目标,在理想的过程和关键设置优化凝聚力和胶粘剂的网站,这可能导致更强大和更安全的系统。
图8是SEM图像PTFE-coated划痕试验后不锈钢导丝。蓝色盒装1区包括一个划痕之前界面粘附失败。红色框区域2是过渡,包含初始粘附失败。红色框区域3显示了一个稳定的分层。红色框区域4包含的结束。明亮的划痕在区域2 - 4表明不存在聚四氟乙烯涂层和接触的不锈钢衬底。
图9显示了元素的区域与EDS 1线扫描整个。EDS成分分析验证了形态扫描电镜图像的解释;涂层确实剥落区域2中,铁元素从不锈钢衬底增加,F和C和聚四氟乙烯涂层的减少。放大扫描电镜图像和EDS元素Hypermaps区2 - 4在图10提供进一步的细节元素分布的涂层和基体材料沿划痕。188金宝搏bet官网
总结
划痕检测是一种最广泛的使用,快速和有效的方法来评估粘附强度、特点和失效机制。手写笔或抓伤划痕试验期间,提示渗透到涂层下一个常数或进步的负载而移动整个涂层样品。的正常负载涂层失效时由于分层或其他分离机制叫做界面粘合破坏的临界载荷。临界负载的声发射监测可以确定样本,寻找改变摩擦系数和正常的位移,或划痕的视觉检查和微观分析。界面粘合破坏的临界载荷与实际涂层的粘附强度底物。界面粘附强度可以根据划痕试验结果计算临界载荷、裂纹长度和分层区域选择不同的分析模型。划痕试验与适当的光学检验和微量分析粘附失效事件的理解是至关重要的粘附失败和改善涂层设计、质量和性能。
除了介绍和概述微痕和nanoscratch测试,三个代表的案例研究了涂层在医疗设备应用程序。得出涂层应用在医疗设备,microcratch nanoscratch是有用的和定量的方法研究coating-to-substrate粘连。划痕的光学检验和微量分析跟踪和涂层碎片使用光学显微镜,SPM, SEM和EDS可以获得非常有用的信息在大小、形状和数量分布的碎片粒子,这可能是重要的安全评价覆盖医疗设备。本文提供了实用和有用的信息为研究涂层附着力和医疗设备的失效分析。
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