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测量涂层厚度的7种方法
发布:s0208_2016   时间:2017/4/26 10:27:25   阅读:6149 
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测量方法以及测量仪器的合理选取通常取决于待测量涂层的厚度范围、基体材料的形状和类型、测量成本以及测量结果的精确性等因素。
 
 
图片来源:DeFelsko Corporation
 
涂层厚度测量的重要性

涂层厚度是一个重要的工艺参数,在产品质量,过程控制和成本控制中都发挥着重要的作用。
 
涂层厚度测量方法的选择
现在,技术人员可以利用许多不同的仪器来测量这些涂层或薄膜的厚度,而在选取最合适的测量方法时需要考虑到许多因素,包括涂层的类型、基体材料、涂层厚度范围、测试件的形状和尺寸以及测量成本等。
 
涂层厚度测量技术简介
涂层厚度测量技术一般有无损测量法,例如磁性测量、涡流测量、超声波测量以及千分尺测量等;此外还有破坏性的测量法,例如横断面测量法和重量分析法等。对于粉末和液体状涂料,在其干燥固化前同样可以采取一些有效方法对其薄膜厚度进行测量。
 
磁性测厚计
1.适用范围
磁性测厚计是一种无损测量法,通常用于测量铁基底板上非磁性涂层的厚度。钢和铁上大多数涂层都是以这种方式测量的。
 
2.操作原理
磁性测厚仪大多使用的都是两种操作原理中的一种:磁性拉伸或磁/电磁感应原理。
 
(1).磁性拉伸式测厚仪
磁性拉伸式测厚仪用到的主要是一个永久磁铁、校准弹簧以及一把刻度尺。磁铁与磁性钢基体之间的吸引力会把这两者拉在一起,随着分离两者的涂层厚度增加,磁铁变得更加容易拉出。

因此,涂层厚度主要就是根据这种拉拔力来测量确定。较薄的涂层一般具有更大的磁引力,而较厚的薄膜涂层则具有相对较小的磁引力。磁性拉伸式测厚仪对于测量样品的表面粗糙度、曲率、基底厚度以及金属合金的组成成分非常敏感。

磁性拉伸式测厚仪坚固耐用、简单、便宜并且便于携带,通常不需要校正调整。在生产过程中如果只需要少量读数,它们将是一种很好的低成本测量解决方案。

拉伸式测厚仪通常呈铅笔型或回滚式表盘型。铅笔式机型(如图1所示)使用的是一个安装在螺旋弹簧(垂直于涂层表面)上的磁铁。

大多数铅笔式拉伸式测厚仪都使用较大的磁铁,并且专门设计仅在一两个能够补充部分重力影响的位置工作。通过使用更加微小的,精确的磁铁可以将其制成更精确的版本,用于测量面积较小或难以达到的表面。当该测厚仪指向下、向上或水平公差在±10%时,三重指示器可确保测量的精确性。
图1:铅笔型磁性拉伸式测厚仪
 
回滚式表盘型(如图2所示)是磁性拉伸式测厚仪最常见的形式。磁铁连接到旋转平衡臂的一端并连接到校准的游丝上。通过用手指旋转表盘,弹簧增加磁体上的力并将其从表面拉出。

这些测量仪易于使用,并具有平衡臂,使其能够在任何位置上工作,与重力无关。此外,它们在爆炸性环境中使用同样是安全的,涂料承包商在粉末涂敷操作时使用较多,测量偏差在±5%左右。
图2:回滚式表盘型磁性拉伸式测厚仪
 
(2).磁/电磁感应测厚仪
磁感应测厚仪(如图3所示),其使用永磁体作为磁场源,利用霍尔效应发生器或磁动电阻器来感测磁体磁极处的磁通密度。

电磁感应测厚仪使用交变磁场,采用缠绕有细线圈的柔软铁磁棒来产生磁场。另一根线圈则用于检测磁通量的变化。

这些电子仪器可以有效测量磁探针表面附近的钢表面上的磁通量密度变化。探头表面的磁通密度的大小与钢基板的距离直接相关。因此,通过测量磁通密度,就可以确定涂层厚度。
 
图3:磁/电磁感应测厚仪
 
这类电子式电磁计具有许多的形状和尺寸,它们通常使用恒压探头来提供不受操作者主观影响的数据,测量读数会清晰的显示在液晶显示器(LCD)上。它们可以选择存储测量结果或者对读数进行即时分析,并将结果输出到打印机或计算机上进行下一步检查。该类仪器的测量偏差一般为±1%左右。

为了获得更加准确的测量结果,操作人员应当仔细遵循制造商的使用说明。测试方法可参考D7091,ISO 2178以及ISO 2808等国际标准。
 
涡流测厚仪
涡流测厚仪一般用于测量位于非铁金属基板上的绝缘涂层的厚度,该方法同样属于一种无损测量法。

该仪器使用能够传导高频交流(1MHz以上)的细线线圈在仪器探针的表面产生交变磁场。当探针靠近导电表面时,交变磁场将在该表面上形成涡流。基体材料的特性以及探头和基体的距离(也即是涂层厚度)会影响涡流的大小。

该涡流又会产生一种相对电磁场,该电磁场可由励磁线圈或另一个相邻的线圈感测出来。

涡流测厚仪外观以及操作均类似于电磁感应测厚仪。这类仪器几乎能够测量所有非铁金属上的涂层厚度。

与电磁感应测厚仪一样,其通常使用恒压探头并在LCD屏幕上显示测量结果。此外,它们还可以选择存储测量结果或者对读数进行即时分析并输出到打印机或计算机进行下一步检查。

测量偏差一般为±1%左右。测试对表面粗糙度、曲率、基底厚度,金属基底材料的类型以及其与边缘的距离较为敏感。测试方法可以参考ASTM B 244,ASTM D 7091以及ISO2360等国际标准。

现在,许多测厚仪都将电磁感应原理和涡流原理结合到一个体系中。一些简单的测量任务可以根据需求自动从一种操作原理切换到另一种原理以测量大多数金属上的涂层厚度。这些整合体系已经受到了油漆业和粉末涂布业的广泛认可与欢迎。
 
超声波测厚仪
超声波测厚仪中所使用的超声回波脉冲技术一般用于测量非金属基体材料(例如塑料、木材等)表面上的涂层厚度,而且,该方法属于一种无损测量方法,不会对测量样品造成损坏。
图4:能够测量非金属基体材料表面上涂层厚度的超声波测厚仪
 
该仪器的探头包含一个超声波换能器,能够发出脉冲并通过涂层。脉冲然后从基体材料反射回换能器并转换为高频电信号。通过对回波波形进行数字化分析,人们可以有效确定涂层的厚度。在某些情况下,利用该仪器还可以测量多层系统中的某一单层厚度。

该方法的测量标准偏差一般在±3%左右,测量方法可以参考ASTM D6132国际标准。
 
千分尺测厚计
人们有时还会用千分尺来测量涂层的厚度。它们具有测量任何涂层/基体组合的优点,但缺点是需要接触到裸露的基底面。

接触涂层的上表面和基底的下表面有时是非常困难的,并且它们通常不足以非常准确、灵敏的测量出某些薄涂层的厚度。因此,利用该方法必须进行两次测量,一次是在含有涂层的表面上进行测量,另一次则是在没有涂层的表面上进行测量。这两个度数的差值,也即是测量的高度差,就是该涂层的厚度大小。在一些粗糙表面上,该方法一般在最高处测量涂层的厚度。

破坏性测量
方法:
破坏性测量方法包括许多,其中的一种就是在横截面上切割涂层部分,并通过显微镜观察切割处来测量膜厚度。

另一种横截面技术则是使用比例显微镜观察干膜涂层的几何切口来推断涂层厚度大小。人们可以使用一种特殊的切割工具,通过涂层和基体材料切割出一个微型、精确的V型槽。
 
局限性:
虽然这种破坏性测量方法的原理通俗易懂,但是其很容易出现较大的测量误差。此外,该方法需要操作人员具有较高的技术水平来准备测量样品。

将测量形状调整为锯齿状或不明显的界面都可能会导致测量结果不准确,而且不同的操作员之间也具有较大的主观误差。
 
应用:
当需要采取的无损测量方法成本较高时,或者确定需要采用破坏性测量方法时,可以考虑采用这种方法。

ASTM D 4138国际标准里介绍了该测量系统的一些使用须知,有需要的可以借鉴参考。
 
重量分析测厚仪
通过测量涂层的质量和面积,就可以确定其厚度。最简单的方法就是在施加涂层前后称量零件。一旦确定了质量和面积,就可以使用以下公式计算厚度:
T = (m x 10) / (A x d)

其中T代表厚度,单位为μm;m代表涂层的重量,单位为mg;A代表测量区域的面积,单位为g/cm2;d代表密度值,单位为g/cm3。
 
局限性:
当基体材料表面粗糙或涂层不均匀时,该方法则难以将涂层的质量与厚度关联起来。

适用范围:
一般只有实验室才会采用这种耗时持久且属于破坏性测量的方法。
 
固化前的厚度测量
湿膜厚度(WFT)在实际应用中具有很大的参考性和指导意义。

湿膜厚度与干膜厚度的关系如下:湿膜厚度=所需的干膜厚度/涂料固体成分的体积百分比。因此,湿膜厚度测量仪器有助于确定需应用多少湿润材料以得到指定的干膜厚度,当然,前提是固含量的体积百分数已知。
 
适用范围:
这种湿膜厚度测量仪器能够测量所有类型的湿有机涂层,例如油漆,清漆以及涂敷在平坦或弯曲光滑表面上的漆类涂料等。
 
优点:
在涂膜过程中测量湿膜厚度可以确定是否需要立即通过涂敷器对该涂层进行校正和调整。在干燥或化学固化后再对其进行校正一般需要消耗昂贵的额外劳动时间,还有可能会导致膜的污染,甚至可能引起涂层附着力和涂层体系完整性的问题。
 
湿膜厚度的确定:
用于确定湿膜厚度(WFT)的方程式(分为是否添加稀释剂两种情况)如下:
不加稀释剂:
WFT=(想要的干膜厚度)/(固含量的体积百分数%);
添加稀释剂:
WFT=(想要的干膜厚度/固含量的体积百分数%)/(100%+添加的稀释剂百分含量%);
 
常用测量仪器:
湿膜厚度测量最常用仪器是湿膜轮规和湿膜齿规(梳齿仪)。
 
(1)湿膜齿规:
湿膜齿规就是一个扁平的铝,塑料或不锈钢板,其每个面的边缘都有校准的凹口。在涂料被涂布后立即将齿规表面正确、牢固地放置在要测量的表面上,然后除去。湿膜厚度就是最高涂层缺口和未涂覆缺口之间的高度。

这种测量方法一般不太准确也不灵敏,因此它们主要是用于确定一些形状、尺寸较为怪异,难以利用其它更加精确的方法进行测量的物品上涂层的大致湿膜厚度(具体参考ASTM D1212国际标准)。

该测量仪应在光滑表面上使用,而且是沿着曲面的长度而不是宽度方向上使用。在快速干燥涂层上使用湿膜厚度测量仪将有可能产生不准确的测量结果。ASTM D4414标准里介绍了利用该种仪器测量湿膜厚度的标准方法。
 
(2)湿膜轮规
湿膜轮规主要由三个圆轮组成。中心的圆轮直径较小,其圆心与外侧的两个圆轮的圆心不同。

沿湿膜滚动湿膜轮,中心轮湿润部分末端的读数即为湿膜厚度。如果知道涂层的干、湿比率,便可通过湿膜厚度计算干膜厚度。不同的测量量程从0~25μm(0~1mils)至0~3000μm(0~40mils)。连续刻度,测量精确度为±5%,适用于平面和曲面测量。

该测量仪器便于携带、操作简单,非技术人员也可适用,结构坚固,读数清晰,测量可在任何表面上进行,适用于玻璃、木材以及金属等基体材料,而且价格相对较为便宜。

但这种测量方法只适合作为参考,因为固化膜在流动后可能会发生变化,由测量仪器留下的一些痕迹也可能会影响到最后固化薄膜的性能。

除了上述方法,超声波装置也可以在非金属表面未固化粉末上非破坏性地(无损式)使用,以预测固化膜的厚度。超声波探头位于离被测表面很短的距离处,并在设备的液晶显示屏上显示读数。测量不确定度为±5mm左右。
 
涂层厚度标准

 
涂层厚度计一般都需要按照已知的厚度标准进行校准。厚度测量的标准相关资源有很多,但最好确保它们归属于一些大型国家计量研究院,例如国家标准与技术研究院等国家测量机构。

同样重要的是,还需要根据这些标准进行定期检查以验证仪器是否正常运行。当测量读数不符合仪表的精度规格时,仪表必须进行调整或修理,然后重新进行校准。

总结
涂层厚度对于整体零部件的成本和质量有很大的影响,因此,涂层厚度的测量应该是所有涂布机应该进行的常规测量之一。测量方法以及测量仪器的合理选取通常取决于待测量涂层的厚度范围、基体材料的形状和类型、测量成本以及测量结果的精确性等因素。
 
译者:Vince
译自:corrosionpedia
 
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