Адгезиометр для испытания покрытий, формирующихся на подложках

Полезная модель относится к исследованиям механических свойств покрытий, а именно к способам определения прочности сцепления покрытия с основой.
Известен способ определения прочности сцепления покрытия с подложкой и устройство для его осуществления, состоящее в отрыве торца штифта от покрытия, нанесенного на рабочую поверхность матрицы и торец штифта, вставленного заподлицо в коническое отверстие в матрице. (Патент на изобретение РФ №2294531, МПК G01N 19/04, 2007 г).
Недостатком данного способа и устройства является невозможность оценки величины адгезии для материалов, не реагирующих с клеевым составом и значительная погрешность определения величины адгезии при наличии значительных шероховатостей на поверхности исследуемого образца.
Известен способ определения прочности соединения тонкого покрытия с подложкой состоящий в том, что в покрытии, твердость которого больше твердости подложки, выполняют не менее двух параллельных надрезов глубиной, равной толщине покрытия, выделяют площадку, на которой выполняют дополнительные надрезы, перпендикулярные существующим с образованием дополнительных выделенных площадок в виде прямоугольных параллелепипедов с квадратным основанием или в виде цилиндров заданных размеров, испытуемый образец закрепляют и прикладывают растягивающее усилие до разрушения соединения, а о прочности соединения слоев судят по напряженно-деформированному состоянию в момент разрушения соединения (Патент на изобретение РФ №2298167, МПК G01N 19/04, 2007 г).
Недостатком данного способа является сильная зависимость точности определения величины адгезии от точности выполнения надрезов сложной формы с соблюдением рекомендуемых размеров.
Известен способ измерения сил адгезии, включающий приведение пары образцов во взаимный контакт под действием сжимающей нагрузки, выдерживание их в таком положении определенное время, термообработку образцов, снятие сжимающей нагрузки и последующее осуществление их отрыва друг от друга под действием прилагаемой отрывающей нагрузки (Патент на изобретение РФ №2390005, МПК G01N 19/04, 2010 г).
Недостатком данного способа является узкая направленность на материалы, слипающиеся при взаимном прижатии, необходимость подготовки плоских образцов, что не всегда возможно, воздействие на образцы сжимающими усилиями, нагрев образцов до определенной температуры для определения силы адгезии, что для большинства материалов приведет к нарушению структуры испытуемого покрытия и соответствующей неточности в определении силы адгезии.
Известен прибор для определения силы сцепления полимерного покрытия с подложкой, включающий рабочую камеру и резервуар, заполненный электролитом, оснащенный дополнительной емкостью с жидкой средой и датчиком давления, при этом резервуар имеет V-образную форму и выполнен состоящим из 2-х частей, разделенных проницаемой перегородкой из диэлектрического материала, причем дополнительная емкость посредством патрубка соединена с рабочей камерой, которая заполнена жидкой средой и включает жесткую подложку с отверстием по диаметру патрубка, над которым размещена разделительная прокладка из антиадгезионного материала и полимерное покрытие, перекрывающее разделительную прокладку. (Патент на изобретение РФ №2394225, МПК G01N 19/04, 2010 г).
Недостатком данного прибора является невысокая надежность результатов измерений при работе с покрытиями, взаимодействующими с контактирующими с испытуемым объектом жидкими средами.
Известен способ определения адгезии пленки к подложке, состоящий в операции подготовки образца, приложения отрывающей нагрузки к покрытию путем подачи равномерного внутреннего давления рабочей среды, наблюдения за отрывом покрытия от подложки и определения прочности сцепления, при формировании отверстия в подложке путем местного удаления материала подложки до покрытия и наблюдения за изменением давления и формы образуемого купола в процессе нагружения (Патент на изобретение РФ №2421707, МПК G01N 19/04, 2009 г).
Недостатком данного метода является необходимость выполнения отверстия в подложке с покрытием, сильной зависимости измеряемой величины прикладываемого давления рабочей среды от прочности испытуемого покрытия и его пористости, что для большинства газопроницаемых материалов приведет к получению ненадежных результатов определения силы адгезии.
Известен способ определения адгезии диэлектрической пленки к твердому основанию, включающий этапы изготовления, подготовки образца и проведения измерений, при этом на этапе подготовки выполняют паз, в образце выполняют несколько перпендикулярных пазу сквозных надрезов, диэлектрический слой прорезают в направлении сквозных разрезов до металлического основания, получая полосы, фрагмент образца, расположенный между сквозными надрезами, отламывают от основания и, перемещая фрагмент в противоположную пазу сторону, отделяют диэлектрический слой от основания, определяют расстояние от точки отделения до точки разрушения, а за результат измерения принимают частное от деления толщины диэлектрического слоя и измеренного расстояния. (Патент на изобретение РФ №2406076, МПК G01N 19/04, 2010 г).
Недостатком данного способа является сильная зависимость получаемых результатов измерений силы адгезии покрытия к подложке от величины хрупкости исследуемого покрытия.
Известен способ определения прочности сцепления покрытия с подложкой и устройство для его осуществления заключающийся в том, что на подложку наносят покрытие, прикладывают нагрузку к установленному отрывному элементу и оценивают напряжение, при котором покрытие отрывается от подложки. (Патент на изобретение РФ №2419084, МПК G01N 19/04, 2011 г).
Недостатком данного способа является невозможность оценки величины адгезии для материалов, не реагирующих с клеевым составом и значительная погрешность определения величины адгезии при наличии значительных шероховатостей на поверхности исследуемого образца.
Известно устройство для определения прочности сцепления покрытия с основой включающее подложку-основу с покрытием, обойму с отверстиями для размещения и закрепления силопередающих стержней, взаимодействующих с покрытием, при этом обойма выполнена в виде планки со щелевым продольным пазом для размещения подложки-основы с покрытием, в противоположных стенках обоймы выполнена совокупность соосных отверстий, ориентированных перпендикулярно внутренним боковым поверхностям паза, в отверстиях одной из стенок паза, в которых размещены силопередающие стержни, контактирующие с покрытием, выполнены зенковки со стороны их выхода в полость паза обоймы, а в отверстиях противоположной боковой стенки выполнена резьба для установки шпилек, фиксирующих одной из торцевых своих поверхностей подложку-основу в обойме. (Патент на изобретение РФ №2426095, МПК G01N 19/04, 2011 г).
Недостатком данного устройства является необходимость формирования испытуемого покрытия в виде совокупности дисковых элементов заданных размеров, что зачастую невозможно, и сильная зависимость точности измерений силы адгезии от точности соблюдения размеров покрытия дисковой формы на подложке.
В качестве прототипа принято устройство для определения адгезии покрытий методом решетчатых надрезов, содержащее шаблон с пазами и режущий инструмент, на котором в качестве шаблона установлена матрица, на нижней поверхности которой выполнены пазы, перпендикулярные друг другу, для установки в них испытуемого образца, а на ее верхней поверхности вдоль продольной оси выполнены гнезда, развернутые на 180° относительно друг друга, причем внутренние продольные вертикальные стенки гнезд и верхняя поверхность матрицы, размещенная между ними, являются направляющими элементами для установленного в гнезде сменного режущего инструмента, обеспечивающими точное направление для его перемещения, а одна из поперечных стенок гнезда выполнена наклонной для обеспечения гарантированного контакта угла режущей кромки режущего элемента с испытуемым образцом в течение всего времени выполнения надрезов (Патент на изобретение РФ №2404423, МПК G01N 19/04, 2010 г).
Недостатком прототипа является необходимость выполнения надрезов вручную, а также невозможность определить силу сцепления покрытия с подложкой количественно.
Задачей полезной модели является определение численного значения величины адгезии исследуемого покрытия, к тестовой подложке, изготовленной из заданного материала с заданными характеристиками.
Решение технической задачи достигается за счет измерения усилия сдвига движущейся платформы, на которой закреплена подложка с исследуемым покрытием, необходимого для начала удаления покрытия с подложки срезающим устройством, закрепленным определенным образом на неподвижной платформе.
Результат достигается за счет того, что подложка с покрытием, установленная на движущейся платформе, входит во взаимодействие со срезающим элементом заданной конфигурации (например, плоским ножом), в результате чего усилие, необходимое для движения платформы, передается в плоскость контакта ножа и покрытия и достигая некоторого значения, измеряемого динамометром, приводит к разрушению покрытия, т.е. удалению покрытия с поверхности подложки. Измеренное динамометром усилие пересчитывается в величину силы адгезии покрытия с подложкой по известным соотношениям.
Схема устройства представлена на фиг. 1. Устройство состоит из неподвижной платформы, состоящей из двух частей, верхней крышки 1, на которой находится крепление для срезающего элемента 2, нижней крышки 3, скрепленных между собой четырьмя регулируемыми по высоте шпильками 4, позволяющими без зазоров установить движущуюся платформу 5 внутри неподвижной платформы, вдоль специальных направляющих 6, таким образом, что нож срезающего устройства 7, касается исследуемой подложки с покрытием 8.
Схема подвижной платформы представлена на фиг. 2. Она представляет собой пластину 9, на которую установлено крепление 10 для установки подложки с исследуемым покрытием. Платформа снабжена колесами 11 (всего 10 колес) с нижней (5 колес) и верхней (5 колес) стороны, которые предназначены для позиционирования и перемещения движущейся платформы и подложки, внутри неподвижной платформы, строго горизонтально. Для приведения платформы в движение она соединяется с приводом, специальным карабином, устанавливаемым в отверстие 12.
Схема нижней крышки неподвижной платформы представлена на фиг. 3. Она представляет собой пластину 13, на поверхности которой установлены направляющие 6, задающие прямолинейное движение движущейся платформе. В пластине имеется четыре отверстия 14 для установки четырех шпилек 4, соединяющих верхнюю и нижнюю крышки неподвижной платформы.
Схема верхней крышки неподвижной платформы, с установленным срезающим устройством, представлена на фиг. 4. Она представляет собой пластину 15, с установленным на ее поверхности срезающим устройством, состоящим из срезающего элемента (ножа) 7 и устройства позиционирования срезающего элемента 2, позволяющее установить срезающий элемент под углом от 30 до 90°. Для установки срезающего элемента на поверхность подожки в верхней крышке предусмотрен паз 16. Для соединения с нижней частью неподвижной платформы предусмотрено четыре отверстия 17.
При проведении измерений неподвижная платформа жестко закрепляется на столе по уровню. Система привода движущейся платформы создает скорость движения платформы 1 мм/с. Установленный на приводе динамометр фиксирует значение усилия, необходимого для обеспечения движения платформы с заданной скоростью.
Предложенная конструкция адгезиометра для испытания покрытий, формирующихся на подложках позволяет, за счет наличия платформы с установленной подложкой с исследуемым покрытием, движущейся горизонтально и прямолинейно внутри неподвижной платформы, с установленным под заданным углом срезающим устройством заданного вида, через систему привода, обеспечивающую постоянную скорость перемещения платформы, измерять численное значение величины усилия, необходимого для начала разрушения покрытия и удаления его с поверхности подложки, что позволяет численно рассчитать величину адгезии исследуемого покрытия к подложке с заданными свойствами.