專利名稱：一種制作高溫散斑的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高溫散斑的制作方法，屬于光測力學(xué)、工程材料、構(gòu)件變形和位移測試技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著新型高溫材料的開發(fā)及航空、動力工業(yè)等部門對在役高溫元件的變形實測研究工作的需要，高溫環(huán)境下材料和結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能以及變形狀態(tài)和破壞機理日益受到科研人員的重視，在許多航空航天工程領(lǐng)域，高溫力學(xué)問題一直是一個廣泛而突出且不可避免的問題。因此發(fā)展高溫條件下的變形測量成為實驗力學(xué)領(lǐng)域研究人員目前所關(guān)注的集中問題。目前高溫測試方法也比較多，傳統(tǒng)的電測方法及高溫引伸計測量方法無法進行全場位移變形場的測量，且都存在溫度過高會引起嚴重的飄移問題。隨著激光技術(shù)和現(xiàn)代光學(xué)的發(fā)展，產(chǎn)生了全息干涉、散斑干涉技術(shù)，這些方法在高溫測試領(lǐng)域有了很大發(fā)展。高溫云紋干涉法的測量精度高，但高溫光柵制作成本比較高，且激光干涉方法的光路比較復(fù)雜，調(diào)節(jié)過程比較繁瑣。本發(fā)明是在一種數(shù)字圖像相關(guān)光測測量方法基礎(chǔ)上，發(fā)展了一種高溫散斑的制作方法。目前散斑制作方法多為人工噴漆制斑方法，通常采用的常溫自動噴漆，這樣制作的散斑在測試溫度達到200°C后會發(fā)生氧化，影響測試結(jié)果的準確性。大多數(shù)散斑制作者不能定量散斑顆粒大小和密度，研究表明，散斑顆粒大小和密度對測試精度存在一定的影響。 除此之外，散斑的質(zhì)量與操作者的技術(shù)嫻熟程度密切相關(guān)，對于初學(xué)者很難得到均勻分布的質(zhì)量較高的散斑圖。在制作散斑方面，中國專利文獻(申請?zhí)?00810101918.X)公開了一種制作高溫微米尺度散斑的方法，該方法利用軟件模擬一幅散斑圖，并將散斑圖轉(zhuǎn)化為二值圖，在鍍有耐高溫薄膜的試件表面上均勻涂布一層光刻膠，根據(jù)得到的二值圖對試件表面進行電子束曝光，經(jīng)過顯影、定影后清晰的溝槽結(jié)構(gòu)，在具有溝槽結(jié)構(gòu)的光刻膠表面再鍍一層耐高溫薄膜，腐蝕掉剩余的光刻膠，最終在試件表面得到高溫散斑，這種方法可以調(diào)節(jié)散斑的尺寸及密度。這種方法針對微尺度試件，對于宏觀試件這種方法成本過高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是根據(jù)平均灰度梯度平方和原理制作實際測試區(qū)域大小對應(yīng)的散斑圖模板，依此為掩模板，對試件基底材料拋光、清洗、烘干后，在試件材料表面沉積一層在高溫下抗氧化的金屬膜，表面涂有光刻膠，將掩模板放到試件表面進行光刻曝光，再通過等離子刻蝕方法表面形成散斑。該方法操作簡單、散斑場可量化，容易實現(xiàn)，適用于高溫環(huán)境下基底材料采用耐高溫的金屬合金或非金屬材料的變形行為的研究。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種制作高溫散斑的方法，其特征在于該方法包括如下步驟1)利用計算機軟件生成多幅顆粒大小和數(shù)目各不相同的模擬散斑圖，根據(jù)圖像平均灰度梯度平方和選擇出最佳模擬圖，將該散斑圖轉(zhuǎn)化為二值圖；根據(jù)實際測試區(qū)域的大小確定不同散斑大小和密度的相應(yīng)的散斑圖模板；2)利用有機玻璃打印機將對應(yīng)實際測試區(qū)域的散斑二值圖打印在聚氯乙烯片上， 打印出的散斑圖像作為掩模板；3)將試件切割成所需形狀，并進行清洗，確定測試區(qū)域，根據(jù)測試區(qū)域的大小確定對應(yīng)的掩模板；4)利用真空鍍膜裝置在試件表面蒸鍍一層金屬膜，利用勻膠機在金屬膜表面均勻涂一層光刻膠；5)將涂有光刻膠的試件豎直放在真空汞燈曝光系統(tǒng)的載物臺上，使鍍膜的表面朝向汞燈發(fā)射的一側(cè)，將選定好的掩模板緊貼放到試件表面，不斷重復(fù)光照強度、曝光時間及顯影時間，直至在光刻膠表面得到清晰的掩模板散斑分布結(jié)構(gòu)；6)將表面含有掩模板散斑分布結(jié)構(gòu)的試件放入電感耦合等離子體刻蝕機中進行等離子刻蝕，在金屬膜上形成散斑；7)腐蝕掉剩余的光刻膠，最終在試件表面得到高溫散斑。所述的金屬膜采用金膜或鉻膜，膜厚度為0. 1微米。光刻膠旋涂的厚度在0. 1 2.0微米范圍，曝光時間10 20s。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點及突出性效果散斑的顆粒大小和密度可以控制得到最佳工藝參數(shù)下的散斑模板，掩膜板制作比較簡單，可以根據(jù)測試區(qū)域的大小方便地選擇相應(yīng)的掩膜板，散斑最后刻蝕在高溫材料基體內(nèi)，在高溫測試中不會使散斑脫落，提高測量精度。制作成本低，工藝相對簡單，特別是對于宏觀試件這種方法更為適用。


圖1為本發(fā)明的操作工藝流程圖。圖2為一幅模擬散斑二值化處理圖。圖3為圖2反向二值化的散斑圖。
具體實施例方式現(xiàn)結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步說明。圖1為本發(fā)明的操作流程圖。(利用計算機軟件(如matlab)和平均梯度平方和模擬散斑圖，并做不同放大倍數(shù)下散斑圖，將散斑圖轉(zhuǎn)化為二值圖，)利用計算機軟件生成多幅顆粒大小和數(shù)目各不相同的模擬散斑圖，根據(jù)圖像平均灰度梯度平方和選擇出最佳模擬圖，散斑的大小為3個像素，將該散斑圖轉(zhuǎn)化為二值圖；根據(jù)實際測試區(qū)域的大小確定不同散斑大小和密度的相應(yīng)的散斑圖模板；利用有機玻璃打印機將二值化散斑圖打印到聚氯乙烯片上，將含有散斑圖的聚氯乙烯片作為掩模板。將試件切割成所需要的形狀，并進行清洗，確定測試區(qū)域，根據(jù)測試區(qū)域的大小確定對應(yīng)的掩模板。利用真空鍍膜裝置在試件表面蒸鍍一層金屬膜，膜厚一般為0. 1 lym，耐高溫薄膜可以是金膜或鉻膜，然后利用甩膠機在耐高溫薄膜表面均勻涂布一層光刻膠，光刻膠厚度在0. 1 2. 0微米。將涂有光刻膠的試件豎直放在真空汞燈曝光系統(tǒng)的載物臺上，使鍍膜的表面朝向汞燈發(fā)射的一側(cè)，將選定好的掩模板緊貼放到試件表面，使鍍膜的表面朝上，根據(jù)光照強度預(yù)設(shè)置曝光時間，一般曝光時間10 20s。經(jīng)過顯影、定影后，光刻膠表面呈現(xiàn)掩模板散斑分布結(jié)構(gòu)，觀察結(jié)構(gòu)散斑
4是否清晰，如果不清晰則不斷重復(fù)光照強度、曝光時間及顯影時間，直至在光刻膠表面得到清晰的掩模板散斑分布結(jié)構(gòu)。將顯影后的試件放入電感耦合等離子體刻蝕機中，充入混合氣體進行等離子刻蝕，在金屬膜上形成散斑。腐蝕掉剩余的光刻膠，最終在試件表面得到高溫散斑。實施例利用Matlab軟件生成顆粒大小和數(shù)目各不相同的多幅模擬散斑圖，模擬散斑圖由多個隨即分布的高斯光斑疊加組成的，其灰度分布可由下式表示7(r) = X/,°exp(-^-^)(I)
k=\K其中，s為散斑顆粒的數(shù)目；R散斑顆粒的大小；二維隨機變量rk= (&，71^是第 k個散斑顆粒的位置；為第k個散斑顆粒中心的灰度值，r代表散斑的位置。根據(jù)圖像平均灰度梯度平方和選擇出最佳模擬圖(圖2)，圖像平均灰度梯度平方和越大，說明散斑圖越好，將該散斑圖轉(zhuǎn)化為二值圖(圖3)，其中圖像平均灰度梯度平方和的定義為
M NSg=YYj IAgixij )| /(M X N)(2)
/=1 J=IM和N分別為圖像的高度和寬度，單位為像素，|Δ對xy.)| = ^1(Xy )2+A(Xy )2是每個
像素點灰度梯度矢量的模，其中g(shù)x(Xij)，gy(Xij)為像素點Xij處在X和y方向的灰度梯度， 可利用常用的梯度算子計算確定。將利用有機玻璃打印機將二值化散斑圖打印到聚氯乙烯片上，將含有散斑圖的聚氯乙烯片作為掩模板。試件基底材料為GH3030高溫合金，光刻膠為聚甲基丙烯酸甲脂(AR-P 671. 09 E-BeamResist PMMA 950K)，掩模板為大小為120mmX 120mm。將試件材料表面拋光，不平度應(yīng)小于0. Olmm,表面粗糙度為0. 1 μ m，清洗烘干，蒸鍍一層金膜，把試件放在涂膠機上，用滴管滴1-2滴光刻膠在其中心處。啟動涂膠機以5000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速持續(xù)60秒，旋涂后基底材料表面的光刻膠層厚度在1. 2微米。然后使用線切割做成有效區(qū)域為20mmX60mm 的拉伸試件，實驗中選用的測試區(qū)域的拍攝圖像每個像素代表78 μ m,則對應(yīng)散斑的實際大小為234 μ m,選擇對應(yīng)的模板。將試件和掩模板放入汞燈真空曝光系統(tǒng)中，抽真空使試件和掩模板完全吸附在一起，防止發(fā)生衍射，設(shè)定曝光時間為10s，曝光完畢后在濃度為5%的正交顯影液中顯影15s。將顯影好的試件放入電感耦合等離子體刻蝕機中，充入CF4+02混合氣體進行刻蝕，刻蝕完畢后腐蝕掉剩余的光刻膠，最終在試件表面得到高溫散斑。
權(quán)利要求
1.一種制作高溫散斑的方法，其特征在于該方法包括如下步驟1)利用計算機軟件生成多幅顆粒大小和數(shù)目各不相同的模擬散斑圖，根據(jù)圖像平均灰度梯度平方和選擇出最佳模擬圖，將該散斑圖轉(zhuǎn)化為二值圖；根據(jù)實際測試區(qū)域的大小確定不同散斑大小和密度的相應(yīng)的散斑圖模板；2)利用有機玻璃打印機將對應(yīng)實際測試區(qū)域的散斑二值圖打印在聚氯乙烯片上，打印出的散斑圖像作為掩模板；3)將試件切割成所需形狀，并進行清洗，確定測試區(qū)域，根據(jù)測試區(qū)域的大小確定對應(yīng)的掩模板；4)利用真空鍍膜裝置在試件表面蒸鍍一層金屬膜，利用勻膠機在金屬膜表面均勻涂一層光刻膠；5)將涂有光刻膠的試件豎直放在真空汞燈曝光系統(tǒng)的載物臺上，使鍍膜的表面朝向汞燈發(fā)射的一側(cè)，將選定好的掩模板緊貼放到試件表面，不斷重復(fù)光照強度、曝光時間及顯影時間，直至在光刻膠表面得到清晰的掩模板散斑分布結(jié)構(gòu)；6)將表面含有掩模板散斑分布結(jié)構(gòu)的試件放入電感耦合等離子體刻蝕機中進行等離子刻蝕，在金屬膜上形成散斑；7)腐蝕掉剩余的光刻膠，最終在試件表面得到高溫散斑。
2.按照權(quán)利要求1所述一種制作高溫散斑的方法，其特征在于所述的金屬膜采用金膜或鉻膜，膜厚度為0.1微米。
3.按照權(quán)利要求1所述一種制作高溫散斑的方法，其特征在于光刻膠的厚度在 0. 1 2. 0微米范圍，曝光時間10 20s。
全文摘要
一種制作高溫散斑的方法，屬于光測力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的技術(shù)特點是在通過對模擬散斑進行優(yōu)化，尋求最佳的散斑制作工藝參數(shù)，然后制作不同放大倍數(shù)對應(yīng)下的散斑，通過打印設(shè)備將散斑圖打印到聚氯乙烯片，比較方便靈活，依此為掩模板，然后通過光刻刻蝕的方法在高溫材料試樣表面形成散斑。該方法操作簡單、散斑場可量化，容易實現(xiàn)，尤其適用于高溫環(huán)境下不同材料的宏觀變形行為的研究。
文檔編號G03F7/16GK102445158SQ201110286850
公開日2012年5月9日 申請日期2011年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月23日
發(fā)明者方鵬, 王懷喜, 田雨, 謝惠民, 陳江濤 申請人:清華大學(xué)