NUMERICAL SIMULATION OF THE LASER INDUCED SPALLATION TECHNIQUE: APPLICATION TO THE INTERFACE STRENGTH DETERMINATION OF SUBSTRATE /COATING INTERFACES

Abstract

ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΠΑΡΟΥΣΑΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΕΙΝΑΙ Η ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΜΙΑΣ ΑΞΙΟΠΙΣΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΥ ΓΙΑ ΤΟΝΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟ ΤΗΣ ΔΙΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗΣ ΑΝΤΟΧΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΥΠΟΣΤΡΩΜΑΤΟΣ - ΕΠΙΚΑΛΥΨΗΣ.Η ΤΕΧΝΙΚΗ ΒΑΣΙΖΕΤΑΙ ΣΤΗ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΤΑΣΙΚΟΥ ΚΥΜΑΤΟΣ ΑΠΟ ΤΗΝ ΕΝΑΠΟΘΕΣΗ ΥΨΗΛΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΚΑΙ ΧΡΟΝΙΚΑ ΒΡΑΧΥΤΑΤΟΥ ΠΑΛΜΟΥ LASER, (ΔΙΑΡΚΕΙΑΣ 10 ^-11 - 10^-8 SEC), ΣΤΗΝ ΚΑΤΑΝΤΗ ΤΟΥ ΥΠΟ ΜΕΛΕΤΗ ΥΠΟΣΤΡΩΜΑΤΟΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ, Η ΟΠΟΙΑ ΕΙΝΑΙ ΕΠΙΚΑΛΥΜΜΕΝΗ ΜΕ ΛΕΠΤΟ ΣΤΡΩΜΑ ΥΛΙΚΟΥ ΜΕΓΑΛΗΣ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ. Η ΠΡΟΣΠΙΠΤΟΥΣΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑ, ΜΕΤΑΤΡΕΠΕΤΑΙ ΣΕ ΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΟΔΗΓΕΙ ΣΤΗΝ ΕΚΡΗΚΤΙΚΗ ΕΞΑΕΡΩΣΗ ΤΟΥ ΑΠΟΡΡΟΦΗΤΙΚΟΥ ΥΛΙΚΟΥ, ΤΟ ΟΠΟΙΟ ΕΠΙΠΛΕΟΝ ΒΡΙΣΚΕΤΑΙ ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΕΝΟ ΑΝΑΜΕΣΑ ΣΤΟ ΥΠΟΣΤΡΩΜΑ ΚΑΙ ΣΕ ΚΡΥΣΤΑΛΛΟ SIO2. Η ΕΚΡΗΚΤΙΚΗ ΕΞΑΕΡΩΣΗ ΠΡΟΚΑΛΕΙ ΤΑΣΙΚΟ ΘΛΙΠΤΙΚΟ ΚΥΜΑ ΤΟ ΟΠΟΙΟ ΔΙΑΔΙΔΕΤΑΙ ΔΙΑΜΕΣΟΥ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΥΠΟΣΤΡΩΜΑ /ΕΠΙΚΑΛΥΨΗ. Η ΑΝΑΚΛΑΣΗ ΤΟΥ ΤΕΛΕΥΤΑΙΟΥ ΣΤΗΝ ΕΛΕΥΘΕΡΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΤΗΣΕΠΙΚΑΛΥΨΗΣ ΕΧΕΙ ΩΣ ΕΠΑΚΟΛΟΥΘΟ ΤΗ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΕΦΕΛΚΥΣΤΙΚΟΥ ΤΑΣΙΚΟΥ ΚΥΜΑΤΟΣ ΤΟ ΟΠΟΙΟ ΔΥΝΑΤΑΙ ΝΑ ΠΡΟΚΑΛΕΣΕΙ ΑΠΟΚΟΛΛΗΣΗ ΤΗΣ ΕΠΙΚΑΛΥΨΗΣ ΕΑΝ Η ΑΝΑΠΤΥΣΣΟΜΕΝΗ ΤΑΣΗ ΣΤΗ ΔΙΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΞΕΠΕΡΑΣΕΙ ΤΗ ΔΙΕΠΙΦΑΝΕΙΚΗ ΑΝΤΟΧΗ. Η ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΟΥ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΟΣ ΒΑΣΙΣΤΗΚΕ ΣΤΗΝ ΕΠΙΛΥΣΗ ΤΩΝ ΣΥΖΕΥΓΜΕΝΩΝ ΕΞΙΣΩΣΕΩΝ ΥΔΡΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΚΑΙ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΘΕΝΤΟΣ ΜΕΣΟΥ (ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ ΜΑΖΑΣ, ΟΡΜΗΣ ΚΑΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΘΩΣ ΕΠΙΣΗΣ ΚΑΙ ΤΩΝ ΕΞΙΣΩΣΕΩΝ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ). ΤΟ ΠΡΟΚΥΠΤΟΝ ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΟ ΣΧΗΜΑ,ΕΠΙΒΕΒΑΙΩΝΕΤΑΙ ΑΠΟ ΑΝΤΙΣΤΟΙΧΕΣ ΠΙΕΖΟΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΟΥ ΔΙΝΟΥΝ ΤΟ ΕΥΡΟΣΚΑΙ ΤΗΝ ΜΟΡΦΗ ΤΟΥ ΤΑΣΙΚΟΥ ΠΑΛΜΟΥ. ΤΟ ΣΗΜΑΝΤΙΚΟΤΕΡΟ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑ ΤΗΣ ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΗΣ ΜΕΘΟΔΟΥ ΣΥΝΙΣΤΑΤΑΙ ΣΤΟ ΓΕΓΟΝΟΣ ΟΤΙ Η ΕΠΙΚΑΛΥΨΗ ΑΠΟΚΟΛΛΑΤΑΙ ΑΠΟ ΤΟ ΥΠΟΣΤΡΩΜΑ ΧΩΡΙΣ ΠΡΟΓΕΝΕΣΤΕΡΗ ΔΙΑΤΑΡΑΧΗ ΤΗΣ (ΠΕΡΙΚΟΠΗ ΠΕΡΙΛΗΨΗΣ)THE PURPOSE OF THIS WORK IS TO DEVELOP A RELIABLE, QUANTITATIVE METHOD TO DETERMINE THE INTERFACIAL BOND STRENGTH OF SUBSTRATE/COATING INTERFACES. THE LASER INDUCED SPALLATION TECHNIQUE INVOLVES IMPINGING A HIGH - ENERGY LASER PULSE OF A NEW NANOSECONDS DURATION ON THE REAR SURFACE OF THE SUBSTRATE WHICH ISCOATED WITH A THIN FILM OF ABSORBING MATERIAL. THE INCIDENT LASER RADIATION IS CONVERTED RAPIDLY TO THERMAL ENERGY AND THE EXPLOSIVE EVAPORATION OF THE ABSORBING MATERIAL, SANDWICHED BETWEEN THE SUBSTRATE AND A FUSED QUARTZ CONFINING PLATE, SENDS A COMPRESSIVE SHOCK WAVE THROUGH THE SUBSTRATE TOWARD THE MATERIAL INTERFACE. THIS IN TURN IS REFLECTED FROM THE FREE SURFACE OF THE COATING GIVING RISE TO A TENSILE WAVE WHICH MAY LEAD TO SPALLATION AT THE INTERFACE. THE NUMERICAL SOLUTION OF THE PROBLEM IS BASED ON THE SIMULTANEOUS SOLUTION OF THE RADIATION HYDRODYNAMIC EQUATIONS OF AN IRRADIATED MEDIUM (CONSERVATION OF MASS, MOMENTUM AND ENERGY ALONG WITH THE EQUATIONS OF STATE (EOS)). THE DEVELOPED MODEL IS FINE TURNED AND CALIBRATED AGAINST DIRECT MEASUREMENTS OF THE GENERATED STRESS PULSE BASED ON A PIEZOELECTRIC DEVICE. THE MAIN ADVANTAGE OF THE LASER SPALLATION TECHNIQUE IS THAT THE FILM IS DETACHED FROM THE SUBSTRATE WITHOUT ANY PRIOR DISTURBANCE OF THE FILM SURFACE. IT IS THE ONLY KNOWN WAY TO MEASURE BASIC ADHESION IF THE ADHERATE IS NOT IN LIQUID FORM