CN1068425A

CN1068425A - 膜/基结合强度的检测方法及其装置

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Publication number: CN1068425A
Application number: CN 91106170
Authority: CN
Inventors: 李曙; 李诗卓; 魏向东
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 1991-07-01
Filing date: 1991-07-01
Publication date: 1993-01-27
Anticipated expiration: 2006-07-01
Also published as: CN1037372C

Abstract

一种膜/基结合强度的检测方法及其装置，系属于力学测试领域。本发明的主要特征是基于膜/基界面的不连续性，利用所测的能耗或切向力在破膜时出现的突变作力膜/基剥离的判据，扣除膜、基各自的能耗而获得一个与界面结合密切相关的结合能判据。为实施上述方法，本发明还提供了一个检测装置，其装置中的样品台可做升降运动。

Description

本发明系属于力学测试领域，即提供了一种薄膜与基材结合强度的检测方法和检测装置。

薄膜技术在材料科学和工程发展中占有很重要的地位，各类膜层无论其本身性能如何，都存在与基材的结合问题。为了评价膜层与基体的结合，许多人做了大量的研究工作，提出了不少测试方法，其中使用最广泛的有声发射划痕机，三点，四点弯曲法，压痕法，位伸法等，上述这些方法存在着如下问题：

1、由于膜层干扰，膜/基硬度及硬度差干扰，破膜信号不准确; 基材影响不易估计，膜层脱落判据不确切。此外，它们均依赖于数学计算，而目前所采用的各种计算模型较简单，并仅仅根据整体材料的弹性理论计算，而膜/基体系本身应视为一个复合体系，因此，显然不能反映出实际情况下，特别是摩擦磨损条件下膜层和基体的力学行为及结合情况。

为解决上述问题，本发明对已有的用于耐磨性评价的单摆冲击装置进行了改进，提供了一种对薄膜和基体结合性能予以较真实评价的检测方法及其检测装置。

本发明所提供的检测方法是利用单摆冲击划痕仪的划头以1-3m的速度划过带有薄膜的平面样品，在足够的划痕长度条件下，划头将依次与膜层表面接触，进入表层，透过膜/基界面，侵入基材直至最深处后再以相反的过程掠出样品表面，在此过程中可分别测出不同入侵深度划痕的能量消耗和最大剪切力，基于膜/基界面的不连续性，在界面破坏时将出现切向力和能耗的突变，求出突变时对应的法向力和显露膜/基界面单位长度所消耗的能量，前者定义为临界法向力（Fnc），后者称为单位长度界面能耗（δ），它们都可视为界面结合强度的判据。概言之，本发明所提供的检测方法主要基于：1、膜/基界面的不连续性，利用所测的能耗或切向力在破膜时出现的突变作为膜，基剥离的判据;2、扣除膜、基材各自的能耗而获得一个与界面结合密切相关的结合能判据。

本发明所提供的专门用于上述方法的测试系统图见配置方框图1，其主要特征体现在可升降的样品台上，所述的样品台是由切向，法向承力板（即悬臂梁）、支架、应变片、紧固螺栓、上、下斜块、底座组成，应变片分别沿水平和垂直方向贴放在承力板上，上下斜块通过两斜面相接而座落在带滑轨的底座之中，下斜块的水平移动是通过转动手柄来旋转丝杠而实现的。其中所述的摆锤的锤头的端部被加成槽型，划头为三角形刀片，尖头为90圆锥体，划头通过螺栓被固定在槽内。

下面结合附图详释本发明所提供的实施例

一种评价薄膜结合强度的检测方法及其装置

附图1为测试系统配置框图

附图2为样品台的示意图

附图3为样品台的俯视图

附图4为摆锤端部筒图

附图5为摆的冲击划痕及能量测量简图

附图1中的1为实验条件，2为冲击摆，3为能耗测量，4为划后测量，5为光电耦合，6为切问力感受，7为法间力感受，8为动态电阻应变化，9为记忆示波器，10为函数记录仪。

由图2可见，本实施例由侧板11，导轨12，下斜块13，转扭14，上斜块15，表面板16，样品板17，应变片18，限位板19，传力板20，测力板21，组成，图3示出摆锤端中的简图，1为摆锤，2为划头，3为紧固螺栓，4为槽，由图3可见，锤端部被加工成槽型，划头为三角形刀片，尖头经加工为90园锥体，划头是通过螺栓固定在摆锤上的。图4所示是摆的冲击划痕及能耗测量筒图，图中的1为试样，2为摆锤，3为摆杆，4为划头。

本实施例选择了两种膜/基复合体系（硬膜/硬基、硬膜/软基）和基材作冲击划痕实验。

试样基材均经过研磨，抛光、宽度为40mm试样片在厚度上的变化不应大于0.005mm，硬膜/硬基体系选用经规范化调质处理的高速钢作基材，采用空心阴极（HCD）和磁控反应溅射（MRS）两种工艺镀TIN膜;硬膜/软基体系选用不锈钢作基材，采用空心阴极镀膜工艺，制备出三种厚度范围（A、B、C）的TiN膜，测试时，将样品放置在承力板上，调好可升降的样品台，使试样表面与垂直状态的划头尖端轻微接触，此时千分表读数作为台升的基点。选择初始摆角并依此确定记忆示波器的扫描时间，调整好扫描触发系统，等高度变化使样台升起，自由释放摆锤依次在样品表面平行冲击划痕，得到不同长度的刻槽，对膜/基复合体分别实现透膜、破膜及深入底材等不同情况的测试。在划痕过程中记录下摆角θ的变化，切向力Ft及法向力Fn随时向t的变化曲线。能耗测试时，在摆的正下方水平固定放置片状试样，仔细调节样品到所需高度，当摆锤自初始角度θ。自由释放下落沿弧形路径运动时，固定在锤端的划头将在试样表面冲击划出一条弧形沟槽。在划痕过程中摆的能量损耗可根据功能原理由划痕前后的摆角差计算出：A＝-E＝MgLc（Cosθ-Cosθ）式中A为试样对摆作功，E为摆的能量改变，MgLc为摆常数，θ为划痕后测得的摆角。

力的测量和记录时，试样表面所受的切向力Ft和法向力Fn可由设置在试样台上的两组独立电阻应变片进行测量，每组包括两个阻值为120Ω紧贴在切向和法向承力板两则的应变片，各自与标准电阻构成两个独立的平衡电桥，通过一台多通道动态电阻应变仪放大，输出承力板受力时产生的微应变信号，以此为试样受力的依据。

由上述方法和装置获得的膜/基体系划痕实验结果如下：

一、膜/基分离的标志-突变。

图6给出单一材料冲击划痕实验所得典型的切向力、法向力随时间变化曲线。Fn-i曲线基本呈对称型随划痕尺寸的增长平稳变化，形状大体相似;Ft-i曲线对称性较差且随痕槽尺寸增长形状有变化，但峰值依然呈渐变趋势。

对膜/基复合体系进行冲击划痕观察到的最显著特点是：在等间隔台升的试验中，当膜层被划透导致基材暴露时，最大切向力Ftm、痕槽最大深度H和能量损耗E均出现明显的突然变化。这些突变是：

1、切向力突变

在系列划痕实验中，透膜痕的Ft-t曲线出现突然变化，峰值增量△Ftm超过平稳变化值的3倍以上，而此时法向力Fnm则仍按原有规律变化。从图7给出的在硬膜/硬基试样及硬基材上连续三次划痕的力随时间变化Ft-t及Fn-t曲线，可看出切向力的突变。图7a）为采用真空阴极工艺镀TiN/HSS。b）高速钢基体。

这种切向力突变，在硬膜/软基体系的实验中也同样出现（图8）。图8中1）为采用空心限极工艺镀TiN膜基体为不锈钢。2）为不锈钢基体。

2、痕槽深度的尖变

划痕透膜时，痕槽的最大深度H在原来渐变的基础上也出现一个突然变化，而最大痕宽B则仍按原趋势变化。图9给出用形貌仪依次测量等间隔台升实验中透膜前的连续二条痕槽和透膜的一条痕槽H、B及变化情况，试样为离子镀/高速钢基材。

如测量透膜痕槽的痕深h和痕宽b随痕长度方向变化，可发现透膜处痕槽深度的突然增加（图10）。对于硬膜/软基体系这种现象更为明显。

3、能耗的突变

能量损耗在透膜时出出现一定程度的突变。这可以从图11给出的两种工艺硬膜/硬基复合体系不同长度划痕1与能耗E的关系以及相同试验下硬基材实验结果的对比上看出。图11中a）为采用真空阴极工艺镀TiN，b）磁控反应溅射镀TiN，c）高速钢基体。

对于硬膜/软基体系，透膜时能耗的突变更为显著（图12），这可能与膜、基两种材料性质差别较大有关。图12a）真空阴极工艺镀TiN膜。b）磁控溅射镀TiN。c）高速钢基体。

可以推测，对膜/基体系作冲击划痕时，划头首先从膜层表面划入，在其作用下膜层与基材同时塑变;随着划头深入膜层，硬膜中出现裂纹及部分断裂;当划过膜/基界面区域时，划头周围膜层将因膜/基界面的不连续性而大量断裂，基材产生严重塑变及膜层与基体的剥离;划头进入基材，把膜层和基材一起犁削掉，硬基材中还可能出现不同程度的断裂。这一过程可用图13简单模型加以概括。

在未透膜阶段，法向力Fn主要反映膜/基复合体系表层对入侵划头的抵抗力，随法向载荷的增加而逐渐变大;切向力Ft由材料的塑性流弯、滑移及划头与试样间的粘着、摩擦等性质决定，其值较小;痕槽主要是由于划头挤压入试样表层产生塑性形变的结果，其深度h不大;能量损耗E包括塑变能、摩擦能及膜层内部断裂能几项。

在透膜阶段，情况较为复杂。这时的法向力Fn仍和未透膜时的内涵相同，故其值变化不显著;而切向力Ft则反映划头对膜层和基材和犁削、膜层的断裂和剥离等脆性流失性质，其值显然突增很多;痕槽的形成除了由于膜层的断裂脱落外，还有基材的更严重塑变及部分断裂，深度h也会有一个突然加大的变化;能耗E不但包括膜层和基材各自的变形能摩擦能断裂能、还包括膜与基材界面结合破坏而消耗的能量。

冲击划痕实验中，由于膜层、基材性质的差异和膜/基结合界面的不连续性，反映在力、能耗及痕槽深度等方面产生突然变化，可以用作膜/基分离的标志，以此为准去探索表达界面结合强度的定量判据。

二、膜/基结合的判据

1、法向力判据Fnc及其涵义

在硬膜体系冲击划痕实验中，作最大切向力Ftm与痕长l和最大法向力Fn与痕长l的关系图，可直观地发现透膜时Ftm的突变。选用Ftm突变处所对应的法向力Ftm作为评价膜/基结合性能的一个判据，称为临界法向力Fnc。图14、图15给出硬膜/硬基、硬膜/软基两种复合体系的Ftm/、Fnm-1曲线，作为对比，同时给出两种基材的实验结果。图14中a）为真空阴极工艺镀TiN膜，b）为磁控反应油射TiN膜，c）为高速钢基体。图15中a）为真空阴极工艺镀TiN膜，b）为磁控反应溅射TiN膜，c）为高速钢基体。

如前讨论，临界法向力Fnc代表膜/基复合体系承载能力，与传统划痕法的判据临界载荷Lc涵义类似。

表2给出对几种硬膜体系作单摆冲击划痕实验的结果Fnc和用同一试样进行声发射监听划痕实验的结果Lc。

实验结果表明，单摆冲击划痕仪及测试方法有较高的可靠性，在评价膜/基体系承载能力方面，可见到Fnc的排队与Lc基本一致。这种方法还具有以下特点：

1）判断膜/基体系承载能力失效的标准比较明确直观，即膜层的破透及剥落;

2）判据Fnc是在模拟磨粒和冲击磨损的动态条件下获得的;

3）与声发射监听划痕法相比，不受膜内断裂的影响。

注意试样B₂和C₂特殊的实验结果，Fnc均高于Lc而且Lc的排队发生变化，这与膜层内发生较严重的断裂有关，图16是它们在透膜前的痕槽形貌。它证实膜内的脆断信号干扰了声发射监听的数据，故划痕法所得Lc值偏低。

2、能量判据-透膜单位长度能耗。

取自然对数ln（E×10²+l），作其与l的关系曲线，可得到很好的分段线性关系，图17、图18为硬膜/硬基、硬膜/软基复合体系及两种基材所作的结果。图17a）为真空阴极工艺镀TiN膜，b）为磁控反应溅射TiN膜，c）高速钢基体。图18a）为真空阴极工艺镀TiN膜。b）磁控反应溅身TiN膜，c）不锈钢基体。

根据实验点描绘的线段再联系痕貌观察作出如下分段：

Ⅰ为膜层及基材塑变阶段;

Ⅱ为膜层内裂纹生成及部分脆断阶段，单一硬基材也可能出现一些断裂;

Ⅲ对于膜/基体系本段有一跃变，恰为各透膜痕槽;单一基材不出现本段。

由各段直线l得到实验公式

ln（E×10²+l）＝P_i+m，（2）

式中p_i为斜率，m为截距。可回归出由1计算能耗的关系式

E_i＝（m₁o_pi-l）×10^-（3）

其中m_i＝e^m，下标1表示不同阶段或不同材料。

据式（30在E-l关系图上作出回归曲线，原实验点及以后做的验证实验点与曲线十分吻合，见图11、图12所示。

冲击划痕能耗E一般包括划头与试样间摩擦耗能、材料塑变能、断裂能及材料产生新表面所需能等等。对膜/基复合体的实验结果表明，在透膜时有能量损耗的突变，这显然反映出膜层与基体界面结合能的某些信息，扣除膜材及基材的冲击划痕能耗后，应能得到与界面结合能密切相关的能量判据。

考虑透膜划痕如图19所示，l为痕长，l′为底材暴露长度，下标C和S分别表示膜层和基材。

用E_实表示透膜划痕实际耗能;E_ol及E_ol′表示未透膜情况下痕长分别为l及l′时由式（3）计算所得的能耗;E_l′表示在基材上痕长为l′时由式（3）计算所得的能耗;应有：

E_实＝E_ol-E_ol′+E_lγ+△ （4）

式中△表示由于是复合体系而非二者简单组合体系所存在的能量差值，显然与膜/基界面结合能密切相关。有

△＝E_实-E_ol+E_ol′-E_θl′（5）

定义

ε＝△/l′ （6）

表示在某种程度上反映单位长度膜/基结合能的判据，它相应于膜/基结合界面破坏时所耗去的能量。

据两种工艺硬膜/硬基复合体系在图11、图17中的实验数据，列表计算如下：

两种膜/基复合体系透膜单位长度能耗ε判据的不同表明，空心阴极离子镀的膜/基结合强度高于磁控溅射镀的膜/基结合强度，这与两种镀膜工艺本身及目前公认的结果相符合，从同一试样上各不同透膜长度所计算出的）ε的平均偏差较小来看，也在一定程度上反映ε判据包含表征界面结合强茺或界面结合能的一个固有量。

综上所述可以得出如下结论：

1）研制和发展出的新仪器和测试方法可对膜/基复合体系的界面结合进行摩擦学评价，大量的工作验证了仪器和测试方法的有效性、可靠性和独特性;

2）选择切向力Ftm、痕深H和能E随划痕长度l变化曲线上的突变点，均可有效、灵敏地作为膜/基剥离的依据;

3）膜/基剥离时的法向力可作为临界法向力Fnc判据，表征膜/基体系承载能力;

4）用透膜时单位界面长度能耗ε作为膜/基结合强度的半定量判据，在一定程度上反映了膜/基结合性能。

Claims

1、一种膜/基结合强度的检测方法，其特征在于：

(1)利用单摆冲击划痕仪的划头以1-3m/s的速度划过带有薄膜的平面样品，在足够的划痕长度条件下，划头依次与膜层表面接触，进入表层，透过膜/基界面，侵入基材直至最深处后再以相反的过程掠出样品表面；

(2)在此过程中分别测出不同入侵深度划痕的能量消耗和最大剪切力；获得界面结合强度的判据基于膜/基界面的不连续性，利用在界面破坏时出现的切向力和能耗的突变，求出突变时对应的法向力和显露膜/基界面单位长度所消耗的能量来评价薄膜和基材的结合强度。

2、一种专用权利要求1所述方法的膜/基结合强度的检测装置，它由机身、样品台、摆锤、角度控制架、指标盘、千分表组成，评价薄膜与基材界面结合强度的检测装置，其特征在于：

（1）所述的样品台系由切向、法向承力板、支架、紧固螺栓、应变片、上、下斜块、底座组成，其中应变片沿支架水平、垂直方向分别贴放在承力板上、下，下斜块通过两斜面相接座落在带有滑轨的底座中，下斜块可以通过转动手柄来旋转丝杠作水平移动;

（2）所述的摆锤的锤头的端部被加工成槽型，划头为三角形刀片，尖头为90园锥体，划头通过螺栓固定在槽内。