薄膜力学性能概要.ppt

定 义 用物理的、化学的、或者其他方法，在金属或非金属基体表面形成一层具有一定厚度(小于 )的不同于基体材料且具有一定的强化、防护或特殊功能的覆盖层。 分 类 4.1 薄膜的弹性性能 一、薄膜的弹性常数 三点弯曲 如图所示，加载和挠度的测量均在两支点中心位置，两支点的跨距为 ，载荷增量 与中心挠度增量 的关系为 单面镀膜的膜基复合薄板的抗弯刚度 为 压痕法 纳米压痕技术可用以测定薄膜的硬度、弹性模量以及薄膜的蠕变行为等，其理论基础是Sneddon关于轴对称压头载荷与压头深度之间的弹性解析分析，其结果为 为约化弹性模量 二、薄膜的应力应变关系 1. 拉伸法 2. 压痕法 4.2 薄膜的残余应力 一、残余应力的来源 薄膜—基底体系中由于晶格常数失配在薄膜中产生的内应力由Hoffman的晶界松弛模型得到 二、残余应力的测量 1. Stoney公式 Stoney公式广泛应用于计算薄膜的残余应力，但使用时应明确该公式的适用范围， Stoney公式采取了如下假设 2.多层薄膜的情形 小变形时 和 分别为 4. 一级近似的薄膜应力梯度分布 实际上，薄膜应力在厚度方向是有梯度的。通常，薄膜的单轴应力沿厚度方向的分布可用多项式表示为 X射线衍射法测量残余应力中最常用的方法是 法，其基本原理简述如下。 可由以其方向为法向的 面的面间距的变化表征，即有 根据薄膜内的残余应力不改变薄膜的厚度，对有和无残余应力的薄膜作相同深度的压痕实验，获得两条曲线。对比两条曲线，按下图确定残余应力的符号。 获得 、 的值后，对于残余拉应力，代入下式 膜内应力的存在使膜基复合体产生一定程度的弯曲变形。根据弹性力学理论，由镀膜前后悬臂梁的曲率半径、中性面位置和抗弯刚度的变化，可得到镀膜悬臂梁任意横截面上应力对中性面产生的弯矩为 另外，根据弯矩定义，设膜厚为 时膜内的平均应力为 ，弯矩 也为 镀膜前，基体处于平直状态，即 ，镀膜后， ， 为悬臂梁长度， 为悬臂梁镀膜后自由端的挠度，(4.50)式转化为 制作薄膜时，不可避免地使在基底上的薄膜产生残余应力。这种应力会对加工出来的微结构的力学行为产生重要影响。在内部残余应力的作用下，会产生几类重要的力学行为： 4.3 薄膜的断裂韧性 一、薄膜的界面性能 二、界面断裂韧性的测量方法 2. 拉张法 3. 划痕法 划痕法中，作用在压头上的垂直压力加载方式有两种：步进式和连续式。涂层从基体剥落的最小压力称为临界载荷，记为 　　。 4. Shear lag 模型 6. 气泡法 我们假设被剥离的部分是各向同性的半径为a的固支圆板，用von Karman非线性板理论来分析被剥离的部分。这样在外载荷油压q的作用下，圆板中的应变能为 对于比较小的外载荷q ，我们有圆板中心点的挠度值为 4.4 薄膜的硬度 目前针对薄膜的硬度广泛采用的方法是纳米压痕法。发展纳米压痕技术的原动力在于：当压痕的形貌尺寸减至百纳米级，利用扫描电镜找到并测量压痕费时费力，且测量误差较大，直接利用测量得到的连续载荷-位移数据得出压痕面积而不是利用扫描电镜测量压痕边长时其在测量方法上区别于常规显微硬度仪的特征。该方法可以提高压痕面积的测量精度、降低测量人员的劳动强度并减少测量中的人为因素。 纳米压痕硬度的定义为 下面简单介绍纳米压痕技术获得薄膜硬度，其分析步骤为 4.5 薄膜的摩擦、磨损和磨蚀 一、薄膜的摩擦学概念 摩擦系数 ( 等于摩擦力 除以载荷 )用下式表示 如果在硬质材料表面上，涂覆具有小剪切强度的材料(一般说来这种材料也软),或者用某些方法，把小剪切强度的固体或流体输送至接触表面上，由公式(4.94)就可以知道摩擦系数得以减小，即 二、影响薄膜摩擦学特性的因素 Holling根据接触面凸起部位穿通软质膜层模型，认为支撑载荷的真实接触部位包括膜层和衬底。利用已知的表面粗糙度模型，根据衬底与膜层的硬度比 ,膜层与衬底的材料常数比 ,表面粗糙度的标准偏差 和常数 ，导出如下的摩擦系数公式 从应用来说 、 应具有最大数值，同时当载荷小于 、 时，具有小摩擦系数和薄膜磨损率。摩擦系数和磨损率与面压倒数的关系，类似于面压一定时与膜厚的关系，同时也与油润滑条件下的Stribeck曲线(表示 与面压倒数×速度×粘度即油膜厚度参数的关系曲线)相似。但在软质固体覆层条件下，摩擦系数和磨损