CN104729897A - 一种无残余应力薄膜及其制备方法和在纳米压痕法中应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无残余应力薄膜，该薄膜主要用于压痕法计算残余应力的大小，是一种金属薄膜，所述金属薄膜是通过物理气相沉积或化学气相沉积将该薄膜溅射或沉积在单晶晶体上，随后去除晶体而得到。本发明还公开了该无残余应力薄膜的制备方法和在纳米压痕法中的应用。本发明获得的无残余应力的试样薄膜与基底结合的界面应力完全去除，且纳米压痕试验过程中，薄膜能够无底面支撑，以防底面对测量结果产生影响。该无残余应力的薄膜大大提高了纳米压痕测试法Suresh理论模型的适应性和实用性。

Description

一种无残余应力薄膜及其制备方法和在纳米压痕法中应用

技术领域

本发明涉及材料测试技术研究领域，具体的涉及一种无残余应力薄膜及其制备方法和在纳米压痕法中应用。

背景技术

构件在制造加工过程中的各种工艺因素以及加工过程的不均匀塑性变形，温度的升降和化学或物理化学变化等会促使残余应力的产生。纳米压痕试验法是一种较新的残余应力测试方法，具有极高的力分辨率和位移分辨率，测量过程对工件所造成的破坏小，测量方便、迅速，而且标距很小，适于应力梯度变化大的场合。目前，基于纳米压痕测试法的模型有Suresh理论模型、Yun-Hee模型、Swadener理论以及Xu模型等，其中Suresh理论模型最为常用。但是Suresh理论模型中的无应力试样很难获得，该技术意在获得无残余应力的薄膜试样，以便计算薄膜的残余应力。

Suresh理论模型是使用尖锐压头来测量材料表面残余应力和残余塑性应变的一种方法。该方法假设残余应力和残余塑性应变在至少比压痕大几倍的深度下是等双轴的、均一的，并假设残余应力对材料的硬度无影响，其假设模型如下式所示。

$\left(\begin{array}{ccc}{\mathrm{\σ}}^R& 0& 0\\ 0& {\mathrm{\σ}}^R& 0\\ 0& 0& 0\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}{\mathrm{\σ}}^R& 0& 0\\ 0& {\mathrm{\σ}}^R& 0\\ 0& 0& {\mathrm{\σ}}^R\end{array}\right)+\left(\begin{array}{ccc}{\mathrm{\σ}}^R& 0& 0\\ 0& {\mathrm{\σ}}^R& 0\\ 0& 0& {-\mathrm{\σ}}^R\end{array}\right)---(1-1)$

我们都知道，材料中存在的残余应力分为残余拉应力和残余压应力，下面分两种情况进行介绍，当存在残余拉应力时，固定载荷大小时，残余应力的计算公式为(1-2)，固定压痕深度时残余应力的计算公式为(1-3)。

${\mathrm{\σ}}^R=H(1-\frac{h_0^2}{h^2})---(1-2)$

${\mathrm{\σ}}^R=H(\frac{A_0}{A}-1)---(1-3)$

式中：H-材料硬度；h₀，h分别为无残余应力和有残余应力时的压深大小。A₀-无残余应力时的压痕面积；A为有残余应力时材料表面的压痕面积。当材料中存在残余压应力时，固定载荷大小时，残余应力的计算公式为(1-4)，固定压痕深度时残余应力的计算公式为(1-5)。

${\mathrm{\σ}}^R=\frac{H}{\sin \mathrm{\α}}(\frac{h_0^2}{h^2}-1)---(1-4)$

${\mathrm{\σ}}^R=\frac{H}{\sin \mathrm{\α}}(1-\frac{A_0}{A})---(1-5)$

其中，α为锥形压头表面与接触材料表面的夹角。对于Berkovich压头，α＝24.7°。因压应力会促使压头与试样接触，因此需要引入sinα，而不能直接改变式(1-2)和(1-3)中的符号来直接计算残余压应力的数值，然后根据图1中曲线的相对位置去判断残余应力的符号。

Suresh模型的不足之处在于计算模型中要求无残余应力的参考试样，但无残余应力的试样很难得到。一些科研人员利用线切割的方法，将涂层从基底上切除下来，获得无应力试样，还有一些人将制备好的涂层进行退火处理，获得无应力试样。但这两种方法都有一定的缺陷，首先线切割方法不能将涂层与基底完整的剥离，而且机加工过程的挤压、摩擦，产热等会使涂层产生新的残余应力；退火也不能完全去除其内部的应力，特别是界面应力。

发明内容

为了解决获得无残余应力薄膜用于纳米压痕法，本发明的目的是提供一种无残余应力薄膜。

本发明的另一目的是提供一种无残余应力薄膜的制备方法。

本发明的还一目的是提供一种无残余应力薄膜在纳米压痕法中的应用。

为了实现本发明的目的，首先，本发明提供了一种无残余应力薄膜，该薄 膜主要用于压痕法计算残余应力的大小，是一种金属薄膜，所述金属薄膜是通过物理气相沉积或化学气相沉积将该薄膜溅射或沉积在单晶晶体上，随后去除晶体而得到。

进一步地，本发明提供了一种无残余应力薄膜的制备方法，其具体步骤如下：

(1)利用PVD(物理气相沉积)或者CVD(化学气相沉积)薄膜溅射或者沉积在单晶晶体上；

(2)将薄膜试样置于薄膜支架上；

(3)将带有试样的薄膜支架放置于能够溶解晶体的溶液中并使晶体溶解；

(4)干燥、固定薄膜试样，得无残余应力薄膜。

优选地，所述单晶为NaCl晶体。

优选地，所述能够溶解晶体的溶液为离子水与酒精按1：3的比例混合的溶液。

更进一步地，本发明提供了一种无残余应力薄膜在纳米压痕法中的应用。

本发明的有益效果如下：

本发明获得的无残余应力的试样薄膜与基底结合的界面应力完全去除，且纳米压痕试验过程中，薄膜能够无底面支撑，以防底面对测量结果产生影响。

本发明获得的无残余应力的试样薄膜的方法操作简单，获得容易，大大提高了纳米压痕测试法Suresh理论模型的适应性和实用性。

附图说明

图1不存在残余应力和存在残余应力时材料的载荷-位移曲线图；

图2底架示意图；

图3固定架示意图；

图4曲率法测得的2000nm薄膜三维应力图；

图5为本发明2000nm厚薄膜在固定压深200nm时的载荷-位移曲线。

具体实施方式

下面结合附图及其具体实施方式详细介绍本发明。但本发明的保护范围并不局限于以下实例，应包含权利要求书中的全部内容。

以下实施例中所使用的仪器包括纳米压痕仪，磁控溅射机，自制薄膜支架；其他均为市场上可购买到的仪器和设备。

实施例1  无残余应力的试样薄膜的制备

铜薄膜的制备工艺

在双面抛光的NaCl基底上，采用直流磁控溅射方法制备2000nm厚度的金属铜薄膜。制备前NaCl基底经高纯度丙酮清洗之后，采用Ar离子清洗数分钟。磁控溅射的本底真空为2*10^-4Pa，直流偏压为20V，Ar气压力为0.5Pa，溅射速率为20nm/min。溅射温度为100℃，溅射时间为100min。溅射材料为纯度99.9999％的Cu靶。

自制薄膜支架 

根据所用NaCl基底的尺寸，设计薄膜支架，所述薄膜支架包括底架和固定架两部分；所述底架为矩形台，其中间开有正方形凹槽，所述凹槽底部开有第一圆形通孔，如图2所示；所述固定架正好与所述底架上的正方形凹槽相匹配，其上开有第二圆形通孔，所述第一圆形通孔与第二圆形通孔为相同大小的同心圆结构，如图3所示。

本实验中所述底架尺寸为15*15*6mm；正方形凹槽尺寸为10*10*1.5mm，第一圆形通孔R1为3.5mm；固定架尺寸为10*10*1.5mm，第二圆形通孔R2为3.5mm；

薄膜支架试验过程将试样放置于正方形凹槽处，待基底去除后，将固定架盖到薄膜上，让其固定。中间通孔圆形区域薄膜裸露，用于压痕测试。

无残余应力薄膜的制备方法

取两个NaCl作为基底的试样，一个放于自制薄膜支架上，并静置于去离子水与酒精的1：3混合溶液中。溶液的高度最好距离高于薄膜支架底架顶端2mm左右。另一个作为对照。待NaCl完全溶解，把薄膜和薄膜支架的底架一 起取出，吹干。再将薄膜支架的固定架覆盖在底架上面，固定式样，即可获得的无应力试样薄膜。

实施例2  纳米压痕试验 

实施例1获得的无应力试样薄膜与没有去除基底的薄膜试样进行纳米压痕试验，得到薄膜试样的压痕数据，再利用Suresh理论模型进行计算。

一、利用曲率法测量薄膜残余应力分布

用GS6341型电子薄膜应力分布测试仪测量铜薄膜的应力分布情况。它是运用激光干涉相移原理，分别测量出成膜前后的基片曲率半径变化，根据Stoney方程计算得出薄膜应力值。

$\mathrm{\σ}(x,y)=\frac{{\mathrm{Ed}}_s^2}{6(1-\mathrm{\γ})d_f}\×\frac{1}{R(x,y)}---\left(6\right)$

其中：E，γ分别为NaCl衬底的杨氏模量和泊松比；ds，df分别为衬底NaCl和薄膜的厚度，R(x，y)为基片上任一个(x，y)点处的曲率半径。当σ＞0时为张应力，σ＜0时为压应力。

利用曲率法得到2000nm厚薄膜的应力大小为0.188GPa，如图4所示。

根据公式(1)可以发现，当薄膜的基底去除后，公式的分子接近无限大，计算的应力大小为0。所以类比于曲率法，我们通过去除薄膜的基底，得到无应力的试样。

二、纳米压痕测试结果

与无应力状态相比，有应力薄膜所需要的压入载荷和卸载后的弹性回复较大，说明所选择压入的点的周围存在压应力。利用Suresh模型进行计算得到应力的大小为-0.156GPa，如图5所示。

将利用纳米压痕法测得的有应力和无应力试样的结果与曲率法测试得结果进行对比发现，结果相差17％，测试结果相对准确。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种无残余应力薄膜，其特征在于，该薄膜主要用于压痕法计算残余应力的大小，是一种金属薄膜，所述金属薄膜是通过物理气相沉积或化学气相沉积将该薄膜溅射或沉积在单晶晶体上，随后去除晶体而得到。

2.一种无残余应力薄膜的制备方法，其具体步骤如下：

(1)利用PVD或者CVD薄膜溅射或者沉积在单晶晶体上；

(2)将薄膜试样置于薄膜支架上；

(3)将带有试样的薄膜支架放置于能够溶解晶体的溶液中并使晶体溶解；

(4)干燥、固定薄膜试样，得无残余应力薄膜。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述单晶为NaCl晶体。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述能够溶解晶体的溶液为离子水与酒精按1∶3的比例混合的溶液。

5.一种无残余应力薄膜在纳米压痕法中的应用，其特征在于，无残余应力薄膜为金属薄膜，所述金属薄膜是通过物理气相沉积或化学气相沉积将该薄膜溅射或沉积在单晶晶体上，随后去除晶体而得到。