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1、.1 第四章第四章 薄膜力学性能部分薄膜力学性能部分 .2 第四章 薄膜的力学性能 4.1 薄膜的弹性性能薄膜的弹性性能 4.2 薄膜的残余应力薄膜的残余应力 4.3 薄膜的断裂韧性薄膜的断裂韧性 4.4 薄膜的硬度薄膜的硬度 4.5 薄膜的摩擦薄膜的摩擦、磨损和磨蚀、磨损和磨蚀 .3 定 义 用物理的、化学的、或者其他方法，在用物理的、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金属或非金属基体表面形成一层具有一定厚 度度(小于小于 )的不同于基体材料且具有一定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。的强化、防护或特殊功能的覆盖层。 m10 .4 分分
2、 类类 脆性基底脆性基底 脆性薄膜脆性薄膜 脆性基底脆性基底 韧韧性薄膜性薄膜 韧性基底韧性基底 脆性薄膜脆性薄膜 韧性基底韧性基底 韧性薄膜韧性薄膜 按按 力力 学学 性质分性质分 类类 .5 4.1 薄膜的弹性性能 一、薄膜的弹性常数一、薄膜的弹性常数 弹性模量弹性模量是材料最基本的力学性能参是材料最基本的力学性能参之一，由于之一，由于
薄膜的某些本质的不同之处，其弹性模量可能完全不薄膜的某些本质的不同之处，其弹性模量可能完全不 同于同组分的大块材料。同于同组分的大块材料。 .6 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，如图所示，加载和挠度的测量均在两支点中心位置， 两支点
3、的跨距为两支点的跨距为 ，载荷增量，载荷增量 与中心挠度增量与中心挠度增量 的关系为的关系为 LF S L F 3 48 S为薄板抗弯刚度。为薄板抗弯刚度。 L f s h h z 2 2 s h z 2 s h z 0z (4.1) .7 单面镀膜的膜基复合薄板的抗弯刚度单面镀膜的膜基复合薄板的抗弯刚度 为为 S ffss IEIES 式中式中 和和
分别是基体部分和薄膜部分对分别是基体部分和薄膜部分对 轴的惯性矩，轴的惯性矩， s I f I z bdyyI s s h h s 2 2 2 fs s hh h f bdyyI 2 2 2 实验中测出载荷增量与中心挠度增量的关系曲线（近似实验
4、中测出载荷增量与中心挠度增量的关系曲线（近似 线性），求出其斜率，用线性），求出其斜率，用(4.1)式求出薄板的抗弯刚度，若基式求出薄板的抗弯刚度，若基 体弹性模量已知，则利用体弹性模量已知，则利用(4.2)式可求得薄膜的式可求得薄膜的弹性模量弹性模量。 (4.2) (4.3) .8 压痕法 纳米压痕技术可用以测定薄膜的硬度、弹性模量以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，其理论基础是及薄膜的蠕变行为等，其理论基础是SneddonSneddon关于轴对关于轴对 称压头载荷与压头深度之间的弹性解析分析，其结果为称压头载荷与压头深度之间的弹性解析分析，其结果为 AE d
5、h dP S r 2 这里，这里， 为压头的纵向位移，为压头的纵向位移， 为试验载荷曲线为试验载荷曲线 的薄膜材料刚度，的薄膜材料刚度， 是压头的接触面积。是压头的接触面积。 h dhdPS A (4.4) .9 为约化弹性模量为约化弹性模量 r E i i f f r EEE 2 2 1 1 1 其中的其中的 、 、 、 分别为被测薄膜和压头的弹分别为被测薄膜和压头的弹
性模量和泊松比。被测试材料的硬度值定义为性模量和泊松比。被测试材料的硬度值定义为 i Ef APH max 当当 、 和和 确定后，可利用式确定后，可利用式(4.4)、(4.5)和和(4.6) 分别求出薄膜的弹性模量和硬度值
分别表示外加载荷和横截面积，下标分别表示外加载荷和横截面积，下标 和和 分别表示基体和薄膜的相关量。分别表示基体和薄膜的相关量。 FS s f (4.7) (4.8) .11 基体和薄膜作为一个整体的试件在外加载荷基体和薄膜作为一个整体的试件在外加载荷 作用下，作用下
对于大多数纯金属和合金材料来说，它们本身服从对于大多数纯金属和合金材料来说，它们本身服从 幂指数强化模型。幂指数强化模型。 y n y K E 当当 时，流动应力也可表示成如下形式时，流动应力也可表示成如下形式 y n f y y
8、 E 1 式中，式中， 是超过屈服应变是超过屈服应变 的总的有效应变。的总的有效应变。 表示表示 应力，定义为应力，定义为 时的流动应力，时的流动应力， 表示应变。表示应变。 f y r rf r (4.13) (4.14) .13 图1 幂指数应力应变关系图 如何将压痕曲线与应力应变关系联系起来？ .14
在压痕测试过程中，加载载荷不断增大，一旦材料发生在压痕测试过程中，加载载荷不断增大，一旦材料发生 屈服，外载屈服，外载 可视为下列独立参数的函数：材料的杨氏可视为下列独立参数的函数：材料的杨氏 模量模量 、泊松比、泊松比 , ,压头的杨氏模量压头的杨氏模量 、泊松比、泊松比 ， 屈屈 服强
曲线确定应力应变关系的流程图 .18 4.2 薄膜的残余应力 一、残余应力的来源一、残余应力的来源 通常认为，薄膜中的残余应力分为通常认为，薄膜中的残余应力分为热应力热应力和和内应力内应力两种两种 。 热应力热应力是由于薄膜
11、和基底材料热膨胀系数的差异引起的，是由于薄膜和基底材料热膨胀系数的差异引起的， 所以也称为热失配应力。所以也称为热失配应力。热应力对应的弹性应变为热应力对应的弹性应变为 dTTT sfth 根据根据HookeHookes s定律，应力为定律，应力为 th f th E 1 (4.22) (4.23) .19
薄膜薄膜基底体系中由于晶格常数失配在薄膜中产生的内基底体系中由于晶格常数失配在薄膜中产生的内 应力由应力由Hoffman的晶界松弛模型得到的晶界松弛模型得到 gf f f f i L E a ax E 11 式中式中 为薄膜材料为无残余应力时的晶格常数，为薄膜材料为无残余应力时的晶格常数，
12、 为由为由 于薄膜和基底晶格常数失配引起的薄膜晶格常数的变化，于薄膜和基底晶格常数失配引起的薄膜晶格常数的变化， 为晶界松弛距离，为晶界松弛距离， 为晶体尺寸。为晶体尺寸。 a ax g L (4.24) .20 二、残余应力的测量 1. Stoney公式公式 在薄膜残余应力的作用下，基底会发生挠曲，这在薄膜残余应力的作用下，基底会发生挠曲，这
种变形尽管很微小，但通过激光干涉仪或者表面轮廓种变形尽管很微小，但通过激光干涉仪或者表面轮廓 仪，能够测量到挠曲的曲率半径。基底挠曲的程度反仪，能够测量到挠曲的曲率半径。基底挠曲的程度反 映了薄膜残余应力的大小，映了薄膜残余应力的大小，StoneySt
13、oney给出了二者之间的给出了二者之间的 关系关系 f s s f rt tE 61 2 式中下标式中下标 和和 分别对应于薄膜和基底，分别对应于薄膜和基底， 为厚度，为厚度， 为曲率半径，为曲率半径， 和和 分别是基底的弹性模量和泊松比。分别是基底的弹性模量和泊松比。 fstr E (4.26) .21
Stoney公式广泛应用于计算薄膜的残余应力，但使用时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，应明确该公式的适用范围， StoneyStoney公式采取了如下公式采取了如下假设假设 (1) 即薄膜厚度远小于基低厚度。这一条件通常都即薄膜厚度远小于基低厚度。这一条件
14、通常都 能被满足，实际情况下薄膜和基底厚度相差非常大。能被满足，实际情况下薄膜和基底厚度相差非常大。 (2) 即基底与薄膜的弹性模量相近。即基底与薄膜的弹性模量相近。 (3) 基底材料是均质的、各向同性的、线弹性的，且基底基底材料是均质的、各向同性的、线弹性的，且基底 初始状态没有挠曲。初始状态没有挠曲。 (4)
薄膜材料是各向同性的，薄膜残余应力为双轴应力。薄膜材料是各向同性的，薄膜残余应力为双轴应力。 (5) 薄膜残余应力沿厚度方向均匀分布。薄膜残余应力沿厚度方向均匀分布。 (6) 小变形，并且薄膜边缘部分对应力的影响非常微小小变形，并且薄膜边缘部分对应力的影响非常微小。 sf tt sf
15、 EE .22 2.多层薄膜的情形 这种情况下，尽管薄膜有很多层，但与基底的厚度相比，这种情况下，尽管薄膜有很多层，但与基底的厚度相比， 薄膜的总厚度还是非常小，仍然满足薄膜的总厚度还是非常小，仍然满足StoneyStoney公式的第一条假公式的第一条假 设。对于设。对于 层薄膜层薄膜StoneyStoney公式化为如下形式公式化为如下形式n fnfnffff s sn ttt t
Errr 61111 式中下标式中下标1 1，2 2，n n分别代表各层薄膜的编号，分别代表各层薄膜的编号， 为残余应为残余应 力，其余字符的意义与式力，其余字符的意义与式(4.26)相同。相同
16、。 (4.27) .23 3. 薄膜厚度与基底可比时的情形 如图所示如图所示, , 和和 相差不大，采取图中所示的柱坐标相差不大，采取图中所示的柱坐标 系统，显然，不为零的残余应力分量只有系统，显然，不为零的残余应力分量只有 和和 , , 相应的弹性应变能密度为相应的弹性应变能密度为 s t zr, zrzrzrzr E zrU rrrr ,2, 12 , 22 2 其中其中 和和
17、失配度， u(r) 和 w(r) 代表基底中面的位移。 m .24 图图3 柱坐标系下由于基底中面转动引起的应变柱坐标系下由于基底中面转动引起的应变 .25 小变形时小变形时 和和 分别为分别为 ru rw m rru 0 2 2 rrw 是基底中面的应变，基底的曲率用是基底中面的应变，基底的曲率用 表示。将式表示。将式 (4.30)代入式代入式(4.29)，得到用得到用 和和
18、 0 V0V 242 4611 16 mllllm l lm ts m (4.32) 其中其中 ，即薄膜与基底的厚度比，即薄膜与基底的厚度比， 为为 薄膜与基底的弹性模量比。当薄膜与基底的弹性模量比。当 时，式时，式 (4.32)退化为退化为Stoney公式。公式。 sf ttl sf EEm 0ltt sf .27 4. 一级近似的薄膜应力梯度分布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膜的单轴应力沿厚度方向的分布可用多项式表示为 k k ktotal t z 02/
19、 其中其中 为厚度方向的坐标，为厚度方向的坐标， 为薄膜厚度。一般计算取为薄膜厚度。一般计算取 的情况的情况( (一级近似一级近似) ) zt 1k 10 2/ t z 式式(4.34)取加号时对应拉应力，取减号时对应压力。取加号时对应拉应力，取减号时对应压力。 (4.33) (4.34) .28
X射线衍射法测定材料中的残余应力的原理是因为物射线衍射法测定材料中的残余应力的原理是因为物 体内部存在的残余应力，使得晶体的晶格常数发生弹性变体内部存在的残余应力，使得晶体的晶格常数发生弹性变 形，即晶面间距发生了变化。通过晶体的形，即晶面间距发生了变化。通过晶体的BraggBragg衍射衍射 nd
20、sin2 反映在相应于某一晶面族的衍射峰发生了位移。对于多晶反映在相应于某一晶面族的衍射峰发生了位移。对于多晶 材料，不同晶粒的同族晶面间距随这些晶面相对于应力方材料，不同晶粒的同族晶面间距随这些晶面相对于应力方 向的改变发生规则的变化。当应力方向平行于晶面时，晶向的改变发生规则的变化。当应力方向平行于晶面时，晶
面间距最小；当应力方向与晶面垂直时，晶面间距最大。面间距最小；当应力方向与晶面垂直时，晶面间距最大。 因此，只要测出不同方向上同族晶面的间距，根据弹性力因此，只要测出不同方向上同族晶面的间距，根据弹性力 学原理就可计算出残余应力的大小。学原理就可计算出残余应力的大小。 (4.35)
21、5. X射线衍射法 .29 测定原理： 用X射线测定应力，被测材料必须是晶体,晶格可视为天然的 光栅,X射线照到晶体上可产生衍射现象. sin2nd 晶面间距d和入射X射线波长: 满足关系式: X射线在晶体上衍射时衍射角: 布拉格布拉格 定律定律 布拉格布拉格 角角 残余应力的X射线测定法 .30 将布拉格方程微分可得到: cot/ dd dd / 2
当晶面间距因应力而发生相对变化时，衍射角 将随之发生变化。所以只要测出试样表面上某个衍射方向上某 个晶面的衍射线位移量 即可算出晶面间距的变化量，再根据弹性力学定律计算出该 方向上的应力数值。 残余应力的X射线测定法 .31 X X射线衍射法射
22、线衍射法测量残余应力中最常用的方法是测量残余应力中最常用的方法是 法，法， 其基本原理简述如下。其基本原理简述如下。 2 sin 下图为测试的试样表面，图中下图为测试的试样表面，图中 、 和和 为主应为主应 力方向。由于力方向。由于X X射线对物体的穿入能力有限，因而射线对物体的穿入能力有限，因而X X射射 线测量的是物体表层应力线测量的是物体表层应力( (记为记为 )
)。因为物体表层。因为物体表层 不受外力时即处于平面应力状态，所以不受外力时即处于平面应力状态，所以 。设任。设任 意方向应变为意方向应变为 ( (以以 与试样表面法向方向的夹与试样表面法向方向的夹 角表示的方位角表示的方位)
23、 )，按弹性力学原理，有，按弹性力学原理，有 1 2 3 0 3 )(sin 1 21 2 EE 此式中的此式中的 方向是方向是 在物体表面在物体表面 上的投影方向。上的投影方向。 11, 3 0 3 O , 22, A B (4.36) .32 可由以其方向为法向的可由以其方向为法向的 面的面间距的变面的面间距的变 化表征，即有化表征，即有 hkl o o d dd 式中式中
为有应力时以为有应力时以 方向为法线方向方向为法线方向 的晶面的晶面 间距；间距； 为无应力时为无应力时 晶面间距。晶面间距。 d hkl 0 dhkl (4.37) .33 由方程由方程(4.35)、 (4.36)
根据上述原理原则上可采用根据上述原理原则上可采用X衍射方法对样品表面特衍射方法对样品表面特 定方向上的宏观内应力进行实际测定，现介绍衍射仪法和定方向上的宏观内应力进行实际测定，现介绍衍射仪法和 应力仪法。应力仪法。 .35 1. 为任意角的
26、的不同法的不同 2 sin 衍射仪法衍射仪法 (4.39) .37 应力仪法应力仪法 试样表面法线 入射线 应变 晶面法线 衍射线 试样 晶面 0 S S 2 0 图7.25 宏观应力测定仪的衍射几何 试样表面法线 入射线 应变 晶面法线 衍射线 试样 晶面 0 S S 2 0 图7.25 宏观应力测定仪的衍射几何 2 00 和、 0 之间的关系式为之间的关系式为
固定固定法法固定固定0法法 X X射线照射方式射线照射方式 有两种有两种 .38 用应力仪进行用应力仪进行0 00_ 0_45 450 0测量时，两次所测的应变分量分别为测量时，两次所测的应变分量分别为 和和(45(450 0+)+
27、)方向，所以计算公式为方向，所以计算公式为 452 22 45 0 22 sin45sin 22 180 cot 12 K E (4.40) 应力仪法应力仪法 .39 残余应力的X射线测定法模型推导 对理想的多晶体，在对理想的多晶体，在 无应力的状态下，不无应力的状态下，不 同方位的同族晶面间同方位的同族晶面间 距是相等的，而当受距是相等的，而当受
到一定的宏观应力时，到一定的宏观应力时， 不同晶粒的同族晶面不同晶粒的同族晶面 间距随晶面方位及应间距随晶面方位及应 力的大小发生有规律力的大小发生有规律 的变化，如图所示。的变化，如图所示。 可以认为，某方位面可以认为，某方位面 间距间距 相对于
28、均应相对于均应 力时的变化力时的变化 d 000 dddd d .40 残余应力的X射线测定法 反映了由应力造成的面法线方向上的弹性应变 0 d d 显然，在面间距随方位的变化率与作用应力之间存在一定函 数关系。 因此，建立待测残余应力因此，建立待测残余应力 与空间某方位上的应变与空间某方位上的应变 之之 间的关系式是解决应力测量问题的关键。间的关系式是解决应力测量问题的关键。
.41 残余应力的X射线测定法 平面应力状态：平面应力状态： 在物体的自由表面， 其法线方向的应力为 零，当物体内应力沿 垂直于表面的方向变 化梯度极小，而X射 线的穿透深度又很浅, 这种平面应力假定是 合理的 321
29、 、 取主应力方向 321 、 待测方向() x .42 是 与 的夹角，OZ与 构成的平面称“测量方向平面” 1 以及与待测应力垂直的方向 、 y z 残余应力的X射线测定法 是此平面上任意n 方向上的应变，它与OZ之 间的夹角为 。则 和主应变的关系为 , 222 2 12233 aaa 123 ,a aa 是 相对于主应力 坐标系的方向余弦 .43 残余应力的X射线测定法 1
31、表示 结论：宏观应力测试的基本公式结论：宏观应力测试的基本公式 .46 0 cot 2 1180 E K 2 2 sin M KM 残余应力的X射线测定法 宏观应力表达式即为 K称为应力常数，它决定于被测材料的弹性性质（弹性模 量E，泊松比 ），及所选用衍射面的衍射角（亦即衍射 面间距及光源的波长 ） .47 残余应力的X射线测定法
X射线穿透深度范围内有明显的应力梯度、非平面应力状 态（三维应力状态）或材料内存在织构(texture)（择优取 向(preferred orientation)）,这三种情况对 关系的 影响如图，在这些情况下，均需用特殊方法测算残余应力 残余应力。 2 2sin
32、 .48 根据薄膜内的残余应力不改变薄膜的厚度，对有和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。曲线。对比两条曲线，按下图确定残余应力的符号。 6. 压痕法 .49 根据式根据式(4.39)确定面积确定面积 A 其中其中 ， 、
为薄膜的弹性模量与泊为薄膜的弹性模量与泊 松比，松比， 、 为压头的弹性模量与泊松比，对于为压头的弹性模量与泊松比，对于Vickers压压 头，头， ，对于，对于Berkovich压头压头, , 。 2 1 EC dh dP
34、压头 , ,圆锥压头圆锥压头 22 7 .24 (4.43) (4.44) 7 .19 .51 膜内应力的存在使膜基复合体产生一定程度的弯曲变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、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横截面上应力对中性面产生的弯矩为 2 2 0 3 1 1 31 11 121 k k k k rr btE M s s s 上式是在薄膜和基体泊松比相等的条件下导出的。在通上式是
35、在薄膜和基体泊松比相等的条件下导出的。在通 常情况下，常情况下， ，上式可近似为，上式可近似为 sf tt k rr btE M s s s 31 11 121 0 3 (4.45) (4.46) 7.悬臂梁法测量原理 .52 另外，根据弯矩定义，设膜厚为另外，根据弯矩定义，设膜厚为 时膜内的平均应力时膜内的平均应力 为为 ，弯矩，弯矩 也为也为 f t M fsf ttt b M
37、量用基体的平面模量 代替双向模代替双向模 量量 ，那么那么，(4.51)式变为式变为 2 1 ss E ss E1 f s ss t L tE 22 2 13 由由(4.52)式可以看出，求解膜内残余应力时不需要知道式可以看出，求解膜内残余应力时不需要知道 薄膜的弹性模量。薄膜的弹性模量。 (4.51) (4.52) .54
制作薄膜时，不可避免地使在基底上的薄膜产生制作薄膜时，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，会产生几类产生重要影响。在内部残余应力的作用下，会
38、产生几类 重要的力学行为：重要的力学行为： 三、 残余应力对薄膜性能的影响 残余应力的梯度分布使微悬臂梁弯曲残余应力的梯度分布使微悬臂梁弯曲 残余压应力使微梁屈曲残余压应力使微梁屈曲 残余应力对粘附有影响残余应力对粘附有影响 .55 以图以图4 4所示的压应力为例，其作用使微悬臂梁所示的压应力为例，其作用使微悬臂梁(弹性模弹性模 量为量为 )向上弯曲。向上弯曲。 E
39、.54) (4.55) 1. 残余应力的梯度分布使微悬臂梁弯曲 .56 图图4 由于压应力而向上弯曲的微悬臂梁由于压应力而向上弯曲的微悬臂梁 .57 如果忽略横向泊松比的影响，可以导出微梁弯曲的曲率半如果忽略横向泊松比的影响，可以导出微梁弯曲的曲率半 径径 M EWt 3 12 1 (4.56) 把式把式(4.56)给出的弯矩代入，得到给出的弯矩代入，得到 1 2 1 Et
(4.57) 如果考虑泊松比对横向的影响，微梁弯曲的曲率半径为如果考虑泊松比对横向的影响，微梁弯曲的曲率半径为 1 12 1 tE (4.58) .58 有厚度为有厚度为 、横截面积为、横截面积为 的矩形截面梁，其截的矩形
40、截面梁，其截 面的惯性矩面的惯性矩 。假设梁的任一截面都承受着。假设梁的任一截面都承受着 轴向力轴向力 ， 的大小不变且均匀分布。的大小不变且均匀分布。 与一个外部与一个外部 的横向均布载荷的横向均布载荷 共同作用，使得微梁各部分发生共同作用，使得微梁各部分发生 位移位移 ，如果微梁所用材料的密度为，如果微梁所用材料的密度为 ，弹性模量，弹性模量 为为
41、应力使微梁屈曲 .59 这里考虑的是微梁在其内部应力作用下发生的屈曲，这里考虑的是微梁在其内部应力作用下发生的屈曲， 为零。当为零。当 足够大时梁失稳。假设位移足够大时梁失稳。假设位移 可被分离变可被分离变 量表示为量表示为 、 ，则式，则式(4.59)变为变为 xq Ptxw , xX tT 2 2 2 4 4 2 2 111 dx Xd XA P dx Xd XA EI dt
42、1b) .60 对于两端简支的梁和两端固支的梁将边界条件代入式对于两端简支的梁和两端固支的梁将边界条件代入式 (4.61a)、(4.61b)，可解出位移表达式，结构发生屈曲的可解出位移表达式，结构发生屈曲的 临界载荷为临界载荷为 22 / LEIP 两端简支梁两端简支梁 22 /4LEIP 两端固支梁两端固支梁
43、臂梁 (b) 两端固支梁 图图5 由于压应力而屈曲的微梁结构由于压应力而屈曲的微梁结构 .62 4.3 薄膜的断裂韧性 一、一、薄膜的界面性能薄膜的界面性能 膜与基体界面间结合类型膜与基体界面间结合类型 冶金结合界面冶金结合界面 扩散结合界面 扩散结合界面 外延生长界面外延生长界面 化学键结合界面化学键结合界面 分子键结合界面 分子键结合界面 机械结合界面机械结合界面 .63
在表面涂覆技术中，覆材与基材通过一定的物理在表面涂覆技术中，覆材与基材通过一定的物理 化学作用结合在一起，存在于两者界面上的结合力随化学作用结合在一起，存在于两者界面上的结合力随 涂覆类型的不同有着较大的差异。这些力既可
44、以是主涂覆类型的不同有着较大的差异。这些力既可以是主 价键力，也可以是次价键力。主价键力又称为化学键价键力，也可以是次价键力。主价键力又称为化学键 力，存在于原子力，存在于原子( (或离子或离子) )之间，包括离子键力、共价之间，包括离子键力、共价 键力及金属键力；次价键力又称为分子间的作用力，键力及金属键力；次价键力又称为分子间的作用力，
包括取向力、诱导力、色散力，合称为范德华力。包括取向力、诱导力、色散力，合称为范德华力。 2. 涂层与基体界面间的结合力 .64 材料的润湿性能材料的润湿性能 界面元素的扩散情况界面元素的扩散情况 基体表面的状态基体表面的状态 膜内的应力状态膜内的应力状态
45、 此外，涂敷的工艺参数、覆材粒子与基体表面的活化状此外，涂敷的工艺参数、覆材粒子与基体表面的活化状 态、覆层结晶质量等因素对覆层的结合性能也有不同程态、覆层结晶质量等因素对覆层的结合性能也有不同程 度的影响。度的影响。 3. 影响界面结合强度的因素 .65 二、界面断裂韧性的测量方法 1. 胶带法胶带法
胶带法是胶带法是Strong于于1935年提出的一种测量薄膜界面结年提出的一种测量薄膜界面结 合强度的方法，合强度的方法，Strong用此方法测试了铝膜用此方法测试了铝膜/ /玻璃基体的玻璃基体的 结合强度，具体做法如下：先把具有粘着能力的胶带贴到结合强度，具体做法如下：先把具有粘着能力的胶带
46、贴到 薄膜表面上，然后剥离胶带，测出其施加的力，并观察残薄膜表面上，然后剥离胶带，测出其施加的力，并观察残 留在基体上与胶带上薄膜材料的残余量，从而得出薄膜对留在基体上与胶带上薄膜材料的残余量，从而得出薄膜对 基体的附着强弱，胶带法只能得出定性的结论，且当薄膜基体的附着强弱，胶带法只能得出定性的结论，且当薄膜
的结合强度超过胶带时，该方法完全失去作用。的结合强度超过胶带时，该方法完全失去作用。 .66 2. 拉张法拉张法 拉张法通过施加一与薄膜和基体界面相垂直的拉张力拉张法通过施加一与薄膜和基体界面相垂直的拉张力 来从基体上剥离薄膜，根据剥离时所施加的拉张力定出附来从基体上剥离薄膜，根据剥离时
47、所施加的拉张力定出附 着力。具体来说，在薄膜的表面上粘结一平滑的圆板再把着力。具体来说，在薄膜的表面上粘结一平滑的圆板再把 基体固定住，然后再圆板相垂直的方向施加一拉力使薄膜基体固定住，然后再圆板相垂直的方向施加一拉力使薄膜 从基片上脱落，同时测出剥离时所加的力。从基片上脱落，同时测出剥离时所加的力。 .67 3. 划痕法划痕法
在所有测试方法中，划痕法是目前较为成熟的，也是在所有测试方法中，划痕法是目前较为成熟的，也是 应用最广泛的一种。它的定量精度较高，监控破坏点的手应用最广泛的一种。它的定量精度较高，监控破坏点的手 段也较多。段也较多。 划痕法测试时压头以一定的速度在试样表面划过，同划痕
48、法测试时压头以一定的速度在试样表面划过，同 时作用于压头上的垂直压力逐步或连续地增大直到薄膜脱时作用于压头上的垂直压力逐步或连续地增大直到薄膜脱 离。实际在划痕内只有很少量的薄膜是完全剥落的，因此离。实际在划痕内只有很少量的薄膜是完全剥落的，因此 该方法十分便于膜该方法十分便于膜/ /基界面临界载荷（基界面临界载荷（ ）的确定。）的确定。 IC P .68
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，记为和连续式。涂层从基体剥落的最小压力称为临界载荷，记为 。 IC P 划痕法是采
49、用金刚石划针划痕法是采用金刚石划针（椎角椎角110o，曲率半径，曲率半径0.2mm）在恒在恒 定或连续增加的正应力作用下，以一定的速度刻划涂层表面，直至定或连续增加的正应力作用下，以一定的速度刻划涂层表面，直至 发生膜层结合的破坏，以对应得临界载荷发生膜层结合的破坏，以对应得临界载荷 作为膜基结合强度的作为膜基结合强度的 度量。度量。
其中其中临界载荷的确定方法临界载荷的确定方法有有 显微观察法显微观察法 微区成分分析法微区成分分析法 声发射法声发射法 切向摩擦力法切向摩擦力法 IC P .69 4. Shear lag 模型 对于韧性基体，膜内存在裂纹时，膜是否从基体上脱落，取决于对于韧性基
50、体，膜内存在裂纹时，膜是否从基体上脱落，取决于 界面结合能力和基体的屈服强度。界面结合能力和基体的屈服强度。 和和 分别是薄膜的断裂强度和分别是薄膜的断裂强度和 基体的屈服强度，当基体的屈服强度，当 时，可用时，可用shear lag模型得到界面模型得到界面 结合强度结合强度 c Y 2 . 0Y c h Lc c cc L hL P 1 其中，其中， 为膜厚，为膜厚，
准备试样前，在平整的基体上预制一个穿透孔，然准备试样前，在平整的基体上预制一个穿透孔，然 后将薄膜沉积到该基体上。后将薄膜沉积到该基体上。 理论模型的示意图如图所示，在油压理论模型的示意图如图所示，在油压q q的逐渐加大的逐渐加大 过程中，界面裂
52、纹将逐渐扩展，薄膜将逐步被剥离。过程中，界面裂纹将逐渐扩展，薄膜将逐步被剥离。 q .72 我们假设被剥离的部分是各向同性的半径为我们假设被剥离的部分是各向同性的半径为a a的固支圆板，用的固支圆板，用von von KarmanKarman非线性板理论来分析被剥离的部分。这样在外载荷油压非线性板理论来分析被剥离的部分。这样在外载荷油压q q
53、件下关于变分原理可以得到在固支边界条件下关于 位移位移 和和 的的Euler-Lagrange耦合微分方程，由这个微分方程耦合微分方程，由这个微分方程可可 以容易得到以容易得到 和和 , ,从而，进一步可以得到无量纲的膜应力从而，进一步可以得到无量纲的膜应力 和无量纲的弯矩和无量纲的弯矩 分别为分别为 u w w u 0 r S 0 r M )( )(2 )( )( 2 38 2
54、M arr r (4.79) (4.80) .73 对于比较小的外载荷对于比较小的外载荷q q ，我们有圆板中心点的挠度值为，我们有圆板中心点的挠度值为 3 1 42 1 16 )1 (3 )0( hE a qw 另一方面在无量纲的膜应力和无量纲的弯矩的作用下，界面裂纹的能另一方面在无量纲的膜应力和无量纲的弯矩的作用下，界面裂纹的能
为为 4 /p 4 1 2 140 1 4 )1 (8 / h a E q qcp 这里这里 是薄膜的厚度。由于界面裂纹是混合型裂纹，是薄膜的厚度。由于界面裂纹是混合型裂纹， 我们用相角表示裂纹我们用相角表示裂纹I
56、I和裂纹和裂纹IIII的贡献的贡献 h )sin(cos )cos(sin tan 1 (4.85) (4.86) .75 4.4 薄膜的硬度 目前针对薄膜的硬度广泛采用的方法是目前针对薄膜的硬度广泛采用的方法是纳米压痕法纳米压痕法。 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量误差较大，直接利用测量得到的连续载荷- -位移数据得位移数据得 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出压痕
57、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。中的人为因素。 .76 纳米压痕硬度的定义为纳米压痕硬度的定义为 S P H 其中，其中， 为载荷，为载荷，
为压痕的投影面积而不是三棱锥硬度中为压痕的投影面积而不是三棱锥硬度中 的表面积，压痕投影面积根据载荷的表面积，压痕投影面积根据载荷- -位移曲线得出。如何由位移曲线得出。如何由 载荷载荷- -位移曲线得到位移曲线得到 是纳米压
58、痕技术的一个关键部分。是纳米压痕技术的一个关键部分。 S (4.87) P S .77 下面简单介绍纳米压痕技术获得薄膜硬度，其分析步骤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 (1) 初始卸载刚度初始卸载刚度 （或柔度（或柔度 ） 根据弹性接触理论，卸载初始阶段（卸载段的前根据弹性接触理论，卸载初始阶段（卸载段的前25%-25%- 50%50%）的载荷）的载荷-
-位移曲线可由下式拟合位移曲线可由下式拟合 kC m f hhAP 其中，其中， 为常数，由实验数据经最小二乘法得到，为常数，由实验数据经最小二乘法得到， 初始卸载刚度初始卸载刚度 （或柔度（或柔度 ）由上式微分在载荷峰
积，后几项为几何形状的修正项，积，后几项为几何形状的修正项， 为待定系数。为待定系数。 i c 至此，可由任一材料的载荷至此，可由任一材料的载荷- -位移曲线结合位移曲线结合(4.88)、 (4.89) 和和 (4.90)得到得到 ，再由定义式得
60、到硬度值。，再由定义式得到硬度值。 c hS (4.89) (4.90) (2) 确定接触深度确定接触深度 .79 4.5 薄膜的摩擦、磨损和磨蚀 一、薄膜的摩擦学概念一、薄膜的摩擦学概念 即使不考虑固体表面邻近区域与块体材料间的力学特性值的区即使不考虑固体表面邻近区域与块体材料间的力学特性值的区
别，但由于没有掌握固体表面邻近区域的力学特性，因此还不能从别，但由于没有掌握固体表面邻近区域的力学特性，因此还不能从 块体材料的已知特性值，推测出摩擦系数的实际数值。人们已经知块体材料的已知特性值，推测出摩擦系数的实际数值。人们已经知 道，材料抵抗摩擦相对变形的微观流动和有关破坏特性，取决于材道，材
