RU2619133C1 - Способ определения толщины однородного покрытия - Google Patents

Способ определения толщины однородного покрытия Download PDF

Info

Publication number
RU2619133C1
RU2619133C1 RU2015145842A RU2015145842A RU2619133C1 RU 2619133 C1 RU2619133 C1 RU 2619133C1 RU 2015145842 A RU2015145842 A RU 2015145842A RU 2015145842 A RU2015145842 A RU 2015145842A RU 2619133 C1 RU2619133 C1 RU 2619133C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
coating
substrate
modulus
thickness
ratio
Prior art date
Application number
RU2015145842A
Other languages
English (en)
Inventor
Сергей Михайлович Айзикович
Леонид Иванович Кренев
Сергей Сергеевич Волков
Евгений Валерьевич Садырин
Борис Игоревич Митрин
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ)
Priority to RU2015145842A priority Critical patent/RU2619133C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2619133C1 publication Critical patent/RU2619133C1/ru

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/40—Investigating hardness or rebound hardness

Landscapes

  • Application Of Or Painting With Fluid Materials (AREA)

Abstract

Изобретение относится к определению геометрических характеристик однородных покрытий, а именно к определению его толщины посредством вдавливания в поверхность материала цилиндрического индентора, и может быть использовано для определения толщины покрытий на подложках из различных материалов. Сущность: вдавливают в покрытие с известным модулем Юнга и коэффициентом Пуассона на подложке, модуль Юнга и коэффициент Пуассона которой также известен, цилиндрический индентор, определяют в соответствии с показаниями прибора, регистрирующего связь между вдавливающей силой и осадкой индентора, модуль жесткости системы покрытие – подложка (Ecs), далее рассчитывают значение отношения модуля жесткости системы к модулю упругости подложки (Ecs/Es) и с помощью известных способов нахождения значения функции по заданной неявной зависимости определяют толщину однородного покрытия из формулы. Технический результат: повышение точности определения толщины тонких покрытий и пленок, а также сокращение количества необходимых экспериментов. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

Description

Изобретение относится к определению геометрических характеристик однородных покрытий, а именно к определению толщины покрытий посредством вдавливания в поверхность материала цилиндрического индентора, и может быть использовано для определения толщины покрытий на подложках из различных материалов.
Наиболее близким по выполнению является способ определения толщины покрытия, при котором в поверхность покрытия несколько раз с увеличивающейся нагрузкой вдавливают индентор с непрерывной регистрацией приложенной нагрузки и глубины внедрения, при этом нагрузка подбирается таким образом, чтобы наименьшая глубина внедрения была меньше предполагаемой минимальной толщины покрытия, а наибольшая глубина внедрения была больше предполагаемой максимальной толщины покрытия. В качестве измеренного значения толщины принимается глубина внедрения, при которой отношение виртуальной нагрузки QUOTE
Figure 00000001
Figure 00000001
, характеризующей остаточные напряжения, к максимальной приложенной нагрузке QUOTE
Figure 00000002
Figure 00000002
является наибольшим, при этом QUOTE
Figure 00000001
Figure 00000001
для каждого эксперимента определяется с помощью аппроксимации кривой нагрузка–глубина внедрения на стадии разгрузки предлагаемой авторами формулой (патент CN 101839707 B «Film thickness testing method based on nano indentation unloading curve», опубл. 12.12.2012).
Недостатком данного способа является то, что для определения толщины покрытия требуется большое количество экспериментов с различным значением нагрузки и соответствующим значением глубины внедрения, причем точность определения толщины не будет превышать полуширину шага изменения максимальной глубины внедрения. Другим недостатком является необходимость произведения индентирования на глубину, большую предполагаемой толщины покрытия, что приводит к локальному разрушению покрытия и в ряде случаев является нежелательным.
Техническим результатом от применения предлагаемого способа является повышение точности определения толщины тонких покрытий и пленок, а также сокращение количества необходимых экспериментов.
Технический результат достигается тем, что вдавливают в покрытие с известными модулем Юнга и коэффициентом Пуассона на подложке, модуль Юнга и коэффициент Пуассона которой также известен, цилиндрический индентор, определяют в соответствии с показаниями прибора, регистрирующего связь между вдавливающей силой и осадкой индентора, модуль жесткости системы покрытие – подложка (Ecs), далее рассчитывают значение отношения модуля жесткости системы к модулю упругости подложки (ECS/ES) и с помощью известных способов нахождения значения функции по заданной неявной зависимости определяют H/a из формулы (1)
Figure 00000003
, (1)
где ECS – модуль жесткости системы покрытие–подложка, EC – модуль упругости покрытия, ES – модуль упругости подложки, vS – коэффициент Пуассона подложки, sh – гиперболический синус,
Figure 00000004
– радиус индентора,
Figure 00000005
– толщина покрытия, Ci, Ai – комплексные константы, определяемые в ходе решения контактной задачи о внедрении штампа в упругое полупространство с покрытием.
Константы Ci, Ai могут быть рассчитаны с помощью алгоритма, описанного в работе Айзикович С.М., Александров В.М. «Осесимметричная задача о вдавливании круглого штампа в упругое, неоднородное по глубине полупространство» (Изв. АН СССР. МТТ. 1984, N2, с.73-82) и реализованного, например, в программах для ЭВМ, по свидетельствам РФ о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2012614268 от 14.05.2012 г., №2012614938 от 01.06.2012 г., №2012614939 от 01.06.2012 г.
H из неявной зависимости (1) можно определить также с помощью таблицы значений Ecs/Es или с использованием программ для ЭВМ. В столбце, соответствующем известному значению Ec/Es, находят измеренное значение Ecs/Es и по строке определяют ближайшее значение H/a. В качестве примера приводится Таблица 1 для значений a/H от 0.105 до 2.000 и Ec/Es от 1.1 до 5.0 (Таблица 1а) или значений Ec/Es от 1/1.1 до 1/5.0 (Таблица 1б).
Предпочтительное отношение радиуса индентора к толщине покрытия находится в пределах 0,1-8.
Отличием предлагаемого способа является то, что толщину покрытия определяют из полученного значения модуля жесткости для системы покрытие – подложка и известных заранее модулей упругости подложки и покрытия.
Ниже приведен пример осуществления изобретения.
Пример.
Для исследований взят алмазоподобный углерод (DLC, diamond-like carbon) с заранее определенным экспериментально модулем упругости Еc = 259 ГПа. На плавленый кварц с модулем упругости Es=69.6 ГПа нанесено покрытие из взятого алмазоподобного углерода толщиной H = 250 нм. По результатам индентирования слоя DLC с использованием цилиндрического индентора при радиусе зоны контакта a, равному 100 нм, получено значение величины
Figure 00000006
 ГПа. Для использования формулы (1) находим значение отношения
Figure 00000007
,
затем определяем
Figure 00000008
.
С помощью программ для ЭВМ (свидетельства РФ о гос. регистрации программ для ЭВМ № 2012614268 от 14.05.2012 г., № 2012614938 от 01.06.2012 г., №2012614939 от 01.06.2012 г.), использующих алгоритм определения коэффициентов Ci, Ai, описанный в работе Айзикович С.М., Александров В.М. «Осесимметричная задача о вдавливании круглого штампа в упругое, неоднородное по глубине полупространство» (Изв. АН СССР. МТТ, 1984, № 2, с. 73–82), определяем значения коэффициентов
Figure 00000009
. Затем строим таблицу значений
Figure 00000010
 в зависимости от
Figure 00000011
 и
Figure 00000012
. Вычислим отношение модуля Юнга покрытия к модулю Юнга подложки и найдем отношение
Figure 00000013
,
затем вычислим величины
Figure 00000014
и получим значение толщины покрытия по формуле
Figure 00000015
.
Таким образом, способ позволяет определить толщину покрытия с погрешностью
Figure 00000016
.
Figure 00000017
Figure 00000018

Claims (4)

1. Способ определения толщины однородного покрытия, характеризующийся тем, что вдавливают в покрытие с известным модулем Юнга и коэффициентом Пуассона на подложке, модуль Юнга и коэффициент Пуассона которой также известен, цилиндрический индентор, определяют в соответствии с показаниями прибора, регистрирующего связь между вдавливающей силой и осадкой индентора, модуль жесткости системы покрытие – подложка (Ecs), далее рассчитывают значение отношения модуля жесткости системы к модулю упругости подложки (Ecs/Es) и с помощью известных способов нахождения значения функции по заданной неявной зависимости определяют толщину из формулы
Figure 00000019
,
где Ecs – модуль жесткости системы покрытие – подложка, Ec – модуль упругости покрытия, Es – модуль упругости подложки, vs – коэффициент Пуассона подложки, sh – гиперболический синус,
Figure 00000020
 – радиус индентора,
Figure 00000021
– толщина покрытия,
Figure 00000022
 – комплексные константы, определяемые в ходе решения контактной задачи о внедрении штампа в упругое полупространство с покрытием.
2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что отношение радиуса индентора к толщине покрытия находится в пределах 0,1-8.
RU2015145842A 2015-10-26 2015-10-26 Способ определения толщины однородного покрытия RU2619133C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015145842A RU2619133C1 (ru) 2015-10-26 2015-10-26 Способ определения толщины однородного покрытия

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015145842A RU2619133C1 (ru) 2015-10-26 2015-10-26 Способ определения толщины однородного покрытия

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2619133C1 true RU2619133C1 (ru) 2017-05-12

Family

ID=58715923

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015145842A RU2619133C1 (ru) 2015-10-26 2015-10-26 Способ определения толщины однородного покрытия

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2619133C1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1435997A1 (ru) * 1987-03-16 1988-11-07 Уфимский авиационный институт им.Серго Орджоникидзе Способ определени модул упругости материала покрыти
US7165463B2 (en) * 2003-10-14 2007-01-23 Northwestern University Determination of young's modulus and poisson's ratio of coatings from indentation data
RU2489701C1 (ru) * 2012-02-29 2013-08-10 Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Машиноведения Им. А.А. Благонравова Российской Академии Наук Способ определения модуля упругости материала покрытия на изделии
RU2532758C2 (ru) * 2012-11-14 2014-11-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Донской государственный технический университет" Способ определения модуля упругости однородного покрытия

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1435997A1 (ru) * 1987-03-16 1988-11-07 Уфимский авиационный институт им.Серго Орджоникидзе Способ определени модул упругости материала покрыти
US7165463B2 (en) * 2003-10-14 2007-01-23 Northwestern University Determination of young's modulus and poisson's ratio of coatings from indentation data
RU2489701C1 (ru) * 2012-02-29 2013-08-10 Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Машиноведения Им. А.А. Благонравова Российской Академии Наук Способ определения модуля упругости материала покрытия на изделии
RU2532758C2 (ru) * 2012-11-14 2014-11-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Донской государственный технический университет" Способ определения модуля упругости однородного покрытия

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Fischer-Cripps Critical review of analysis and interpretation of nanoindentation test data
Tamayo et al. Quantification of the surface stress in microcantilever biosensors: revisiting Stoney’s equation
BRPI0510680B8 (pt) dispositivo e método para detecção qualitativa e/ou quantitativa de interações moleculares entre moléculas de sonda e moléculas alvo, e, uso de um dispositivo
Barhoumi et al. Experimental study of thermodynamic surface characteristics and pH sensitivity of silicon dioxide and silicon nitride
Moussus et al. Intracellular stresses in patterned cell assemblies
Kim et al. Effects of fiber gripping methods on the single fiber tensile test: I. Non-parametric statistical analysis
Leong et al. Viscoelastic effects of silicone gels at the micro-and nanoscale
Flanigan et al. Contact mechanics studies with the quartz crystal microbalance
Brancheriau An alternative solution for the determination of elastic parameters in free–free flexural vibration of a Timoshenko beam
Schneider et al. Thickness dependence of Young's modulus and residual stress of sputtered aluminum nitride thin films
RU2532758C2 (ru) Способ определения модуля упругости однородного покрытия
RU2619133C1 (ru) Способ определения толщины однородного покрытия
Chindam et al. Frequency-and temperature-dependent storage and loss moduli of microfibrous thin films of Parylene C
Hempel et al. Advanced application of the impedance spectrum of a lateral field excited sensor
Greiner et al. Experimental parameters controlling adhesion of biomimetic fibrillar surfaces
JP2021015130A (ja) 測定用チップ、測定装置、および測定方法
Perepelkin et al. Evaluation of elastic and adhesive properties of solids by depth-sensing indentation
US9921226B2 (en) Sensor system utilizing piezoelectric microcantilever coupled with resonating circuit
Zeng et al. Deflection of a cantilever rectangular plate induced by surface stress with applications to surface stress measurement
Roy et al. On the applicability of wavelet transform in localising defect in a small plate using AE technique: an experimental study
JP6016644B2 (ja) 物質の粘弾性係数の測定方法
Kanzenbach et al. Digital image correlation based characterization of rubber material at large shear deformations in an extended temperature range
KR20150051810A (ko) 박막 경도 측정 방법
Schoedel Ultrasonic thin-film testing: a laser ultrasonic testing method rapidly determines many physical properties of thin films nondestructively
Itakura et al. Effective Young's Modulus Measurement of Thin Film Using Micromechanical Cantilever Sensors

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20201027