基于Stoney公式适用性分析——取向硅钢绝缘涂层张应力的计算

发布时间：2024-05-27 06:18

　　目的改善涂层张应力状态,进而提升取向硅钢的电磁性能。方法用扫描电镜、辉光光谱仪分析了添加磷酸盐的胶体二氧化硅绝缘涂层的厚度和微观结构,采用静态拉伸试验得到了取向硅钢沿不同位向的力学特性。在此基础上,根据取向硅钢各向异性的特点和绝缘涂层的实际状态,用Stoney公式对取向硅钢涂层应力的适用性进行了讨论。结果取向硅钢的各向异性不满足Stoney公式的适用条件,实际测试的取向硅钢的力学性能结果表明,取向硅钢符合正交对称各向异性材料的一般规律,据此给出了涂层对取向硅钢产生的张应力的计算公式,利用该公式对不同涂覆工艺条件下的胶体二氧化硅绝缘涂层的张应力进行了计算,涂层厚度在1～2μm范围内,双面张应力的计算值为4～11 MPa。结论文中张应力的计算公式不仅适用于取向硅钢,同样适用于其他基体为各向异性的类似情况。通过张应力的计算可知,涂层厚度与张应力呈正相关,张应力的增大将会促使取向硅钢的铁损降低。因此,开发大张力的绝缘涂层,是进一步改善取向硅钢磁性能的有效途径之一。

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【部分图文】：

图1成品取向硅钢的元素分布分析数据

3）利用辉光光谱仪测量绝缘涂层的厚度，其分析区域大小是直径为3mm的圆，相对于微观方法更具代表性。由于取向硅钢还存在硅酸镁底层，涂层状态较为复杂，以成品取向硅钢的分析结果为例（见图1）对分析方法进行说明：在距离表面1.3μm处，Mg元素和Si元素含量发生明显变化，绝缘涂层中的其....

图2涂层对取向硅钢应力作用的局部示意图

一般认为，涂层的残余应力起源于基体和涂层的热膨胀失配作用，作用原理如图2所示。一般情况下，样品上下同时存在相近厚度的涂层，由于受力平衡因而在宏观上表现为平整的外观。但当样品仅有一侧存在应力涂层时，样品就会发生弯曲，如图3所示。图3仅有单面涂层情况下取向硅钢的弯曲情况示意图

图3仅有单面涂层情况下取向硅钢的弯曲情况示意图

图2涂层对取向硅钢应力作用的局部示意图Stoney[17]于1909年提出了计算薄膜残余应力的公式，见式(1)。该公式利用弯曲形变的曲率半径“r”来表征薄膜的残余应力大小，通过基体和薄膜之间力的关系建立等式。考虑到薄膜应力的不均匀性（见图2），实际上Stoney公式计算得到的是....

图4硅酸镁底层的截面形貌

采用扫描电镜分析取向硅钢涂层的典型结构。实际上，取向硅钢的绝缘涂层下方还存在一层硅酸镁底层，因此对涂覆前后样品的状态分别进行分析。图4为取向硅钢为涂覆绝缘涂层前截面的微观状态，可以看到硅酸镁底层的颗粒紧密地附着在基体上，厚度大约为1μm，平整度较差。图5展示取向硅钢成品绝缘涂层的....

本文编号：3982888