劃痕法綜合評定膜基結(jié)合力

1、劃痕法綜合評定膜基結(jié)合力真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報a_刪sejournalofvacuumsc皿nceandtechnology第29卷第2期2oo9年3,4月劃痕法綜合評定膜基結(jié)合力瞿全炎,邱萬奇曾德長h劉正義(1.華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,金屬材料科學(xué)與工程系廣州510640;2.廣東省特種設(shè)備檢測院廣州510655)measurementoftinfilmsubstrateinterfacialadhesionbyscratchingququanyan1,2,qiuwanqi,zengdechang卜,liuzhengyi(1.觚ofmadmatenksde/oandeng/neer/ng

2、,schoolofmuter/a/ssc/enceand,southch/naoftechno/ogy,ql嘞u510640,ch/na;2.c.uangdonginstituteofspecialequipmentinspection,guo2.olt,510655,ch/na)abstractthetinfilmsweredepositedbyvacuummultiarcionplatingonwccosubstrate.thescratchtracksmadethamicroscratchtester(mst)werecharacterizedvithanopticalmicroscop

3、eandscanningelectronmicroscope(sem).theadhesionattheinterfaceoftletinfilmsandthesubstratewerethenevaluatedbycalculatingtheacousticemissionandfrictionalforcedataobtainedwiththemst.andtheopticalimagesandsemmicmgraphsofthescratches.resultsshowthatneitheracousticemissionspectranorfrictionforcecurvecanex

4、clusivelydeterminetheadhesionstrength;thecriticalloadandtheinterfacialadhesioncanonlybepreciselyevaluatedbycombiningtheacousticemissionspectra.thefrictionforcecurveandthescratchtruckmorphologies.i11emeasuredresultwiththemstagreeswellwitht1atobtainedwitl1ws-92scratchtester.keywordsscratchtest;adhesio

5、nstrength;evaluation;wcco/tin摘要用劃痕實驗探索了綜合表征膜基結(jié)合力的方法.在瑞士csm儀器的微劃痕測試儀(micro-scratchtester,mst劃痕儀)對真空多弧離子鍍設(shè)備制備的wcco/tin膜基結(jié)合力進行劃痕實驗,系統(tǒng)地介紹了如何利用mst劃痕儀所測的聲發(fā)射數(shù)據(jù),摩擦力數(shù)據(jù)及光學(xué),電子掃描劃痕形貌來綜合評定膜基結(jié)合力,并用ws-92劃痕儀對評定結(jié)果進行驗證.評定結(jié)果表明,單一的聲發(fā)射圖譜或摩擦力曲線不能準確判定膜基結(jié)合力的表征值臨界載荷,聲發(fā)射圖譜,摩擦力曲線與劃痕形貌綜合評定臨界載荷結(jié)果才可信.ws-92劃痕儀測量的結(jié)果驗證了mst劃痕儀評定結(jié)果的準

6、確性.關(guān)鍵詞劃痕試驗結(jié)合力綜合評定wcco/tin中圖分類號:tb34文獻標識碼:a文章編號:1672-7126(2009)02.184-04膜基結(jié)合力是硬質(zhì)薄膜非常重要的力學(xué)性能1,膜基結(jié)合力表征是其研究的重要環(huán)節(jié)_2j.用于膜基結(jié)合力表征的方法有劃痕法,拉伸法,彎曲法,刮剝法,膠帶剝離法,摩擦法,超聲波法等l_3j.劃痕法是表征膜基結(jié)合力最廣泛,也是研究最多的種方法.眾多學(xué)者對劃痕的彈塑性變形理論模型,劃痕失效形式,影響臨界載荷大小的內(nèi)部因素(劃痕速度,加載速率,壓頭直徑與磨損情況等)與外部因素(基體硬度,薄膜厚度,薄膜表面粗糙度,膜與壓頭摩擦因子等).j進行了研究,對于解釋膜基結(jié)合失效及

7、臨界載荷大小,做出了很大的貢獻.劃痕法表征膜基結(jié)合力的關(guān)鍵是如何判定臨界載荷,在文獻8中提到可以用劃痕試驗所獲得的聲發(fā)射數(shù)據(jù),摩擦力或劃痕深度及劃痕形貌來評定臨界載荷.在文獻11中采用聲發(fā)射圖譜與摩擦力曲線分析了臨界載荷,但沒有用劃痕形貌分析臨界載荷;文獻12分別將出現(xiàn)裂紋處的加載載荷定義為低臨界載荷,而在薄膜完全剝落時定義為高臨界載荷.收稿日期:2008-03-07基金項目:國家自然科學(xué)基金廣東省聯(lián)合基金重點項目(no.u0734001),國家自然科基金(no.50874050),廣東省科技計劃(no.2007b010600043,2006a11002001,no.2007bolo600(x

8、)及廣州市科技計劃(no.2006z2.130131,no.2006b2-do121與no.2006z3一d0281)的資助*聯(lián)系人:tel/fax:(020)87111278;e-mail:.ca第2期瞿全炎等:劃痕法綜合評定膜基結(jié)合力研究者在利用劃痕數(shù)據(jù)來判定臨界載荷的準則各不一致,導(dǎo)致劃痕試驗判定膜基結(jié)合力的結(jié)果存在差異.本研究用瑞士csm儀器的微劃痕測試儀(miero.scratchtester,mst劃痕儀)對多弧離子鍍設(shè)備制備的wcco/tin膜基結(jié)合力進行表征,系統(tǒng)地介紹了如何利用mst劃痕儀所測的聲發(fā)射數(shù)據(jù),摩擦力數(shù)據(jù)及光學(xué),電子掃描劃痕形貌來綜

9、合評定膜基結(jié)合力,為膜基結(jié)合力評定提供一個準確可信的準則.l實驗1.1樣品本研究在aip-01型真空多弧離子鍍膜機一個裝有磁過濾器的單靶上,分別在磁過濾電流3.0a,3.5a,4.0a,4.5a下制備了wcco/tin膜基a,b,c,d四個號的樣品.1.2劃痕試驗本研究采用了瑞士mst劃痕儀進行結(jié)合力評定,并采用國產(chǎn)中科凱華科技有限公司的ws.92劃痕儀對結(jié)合力評定進行驗證.mst戈痕儀在測試過程中,可以采集聲發(fā)射信號和切向摩擦力,還可觀察劃痕形貌.?在mst劃痕儀上所用參數(shù)如下.壓頭:rockwell型,金剛石,曲率半徑100tma,錐角120.;加載范圍:028n;加載方式:線性步進;加載

10、速度:9323.33mn/min;劃痕長度:3mm.ws一92劃痕儀的法向加載載荷范圍較大,為0100n,加載用的金剛石壓頭尖端曲率半徑r=2oogm,錐角為120o;在測試過程中只能采集聲發(fā)射信號.2膜基結(jié)合力分析在金剛石壓頭沿著薄膜表面線性加載法向載荷的過程中,薄膜會出現(xiàn)微裂紋,破裂,從基體剝離,塑性失效(犁溝)等(以下稱之為結(jié)合失效).當薄膜出現(xiàn)結(jié)合失效時,聲發(fā)射信號峰會突然增強,然而干擾聲信號,弧離子鍍薄膜中大顆粒的存在等也可能產(chǎn)生聲發(fā)射信號峰,因而出現(xiàn)聲發(fā)射信號峰值處的法向載荷可作為臨界載荷的初步評定值.當摩擦因子為常量時,摩擦力一法向載荷曲線為直線;當劃痕過程中膜基結(jié)合失效時,摩擦

11、因子發(fā)生變化,摩擦力突然變大或變小,在曲線上出現(xiàn)”拐點”,但”拐點”也會出現(xiàn)在大顆粒等異常位置加載處.在mst劃痕儀上,采用光學(xué)顯微鏡可以跟蹤觀察聲發(fā)射信號峰或“拐點”處的劃痕形貌,用于修正臨界載荷.本研究采用聲發(fā)射強度突然變化,切向摩擦力變化拐點及劃痕形貌三種方法綜合評定臨界荷.2.1聲發(fā)射強度突變時的臨界載荷圖1是不同磁過濾電流下沉積的tin膜樣品,在mst劃痕儀劃痕過程的聲發(fā)射圖譜.從圖可見,根據(jù)縱坐標的聲發(fā)射信號峰值所對應(yīng)的橫坐標,初步判定a,b樣品的tin膜的臨界載荷分別為26.2n,28n.但c樣品與d樣品的各存在三處聲發(fā)射信號峰值,分別對應(yīng)的橫坐標為24.4n,25.4n,26.

12、3n與9.7n,25.on,27.3n.聲發(fā)射圖譜存在多個峰值,聲發(fā)射強度的突變異常問題在后面討論.圖1wcco/tin膜基劃痕聲發(fā)射圖譜fig.1acousticemissionspectraofvarioustinfilmsonwc-cosubstrateduringscratchtest2.2切向摩擦力變化時的臨界載荷圖2(a)是用mst劃痕儀測量a樣品而畫出的摩擦力.法向加載載荷曲線.在橫坐標顯示的法向加載載荷26.8n處出現(xiàn)了摩擦力”拐點”,”拐點”就是a號樣品的臨界載荷.這比聲發(fā)射技術(shù)所判定的值26.2n大0.6n,兩者相差2.2%2.3%,一致性比較好.因此可以認為在mst劃痕儀

13、中,既可用聲發(fā)射強度突變,也可用摩擦力大小突變時的臨界載荷表征膜基結(jié)合力.b,c,d樣品法向加載載荷.摩擦力曲線變化趨勢基本相同,圖2(b)為b號樣品的曲線,可以作為三個樣品的代表曲線.從圖可知,摩擦力基本為線性增大,不出現(xiàn)拐點,因而判定此三個樣品的臨界載荷為28n(儀器極限值)或大于28n.真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報第29卷圖2樣品a和b在劃痕過程中法向載荷.摩擦力曲線fig.2frictionalforcevsnormalforcecunesfor(a)specimenaand(b)specimenbduringscratchtest2.3劃痕形貌修正臨界載荷a號樣品聲發(fā)射圖譜上只有一個峰值,相對

14、應(yīng)的法向加載載荷為26.2n,圖3(a)為此處的劃痕形貌,壓頭已劃至基體(如箭頭所指),由于薄膜的韌性好,沒有碎裂.臨界載荷正如前面所判定的26.2n,就是a號樣品的膜基結(jié)合力表征值.圖3(b)為b樣品在法向加載載荷達到儀器極限28n時劃痕尾的光學(xué)顯微鏡形貌象,從圖可知,壓頭沒有劃破薄膜,膜基結(jié)合力高,在mst劃痕儀允許加載范圍最大值薄膜都沒有被劃破,說明在前面用聲發(fā)射或摩擦力圖譜所確定的b樣品膜基結(jié)合力(超過28n)是可信的.c和d樣品的聲發(fā)射強度突變峰值有多個,峰值相距很大(峰值所對應(yīng)的臨界載荷相差大),顯然有異常,異常情況下劃痕的形貌顯示在圖3(c)和圖3(d).正如前面所述,c和d樣品

15、的聲發(fā)射強度突變峰值都是3個.在光學(xué)顯微下分別觀察c樣品在24.4n時第一個峰值相對應(yīng)的劃痕形貌,d樣品9.7n時的第一個峰值相對應(yīng)的劃痕形貌.從圖3(c)可見,就c樣品而言,在劃痕相應(yīng)位置出現(xiàn)孔洞(如箭頭所指),在孔洞的周圍,tin膜完好,孔洞本身的形貌相似大顆粒留下的痕跡.由此可以斷定,因金剛石壓頭在此犁起一顆大顆粒時發(fā)出的聲波而出現(xiàn)了第一個峰值(此時法向加載載荷為24.4n),它不代表膜基結(jié)合力;同樣的理由,第二個峰值(25.4n)和第三個峰值(26.3n)也不代表膜基結(jié)合力.從劃痕形貌判斷,c樣品的的膜基結(jié)合力大于28n.再討論d號樣品的三個峰值.從圖3(d)可見,第一個峰值對應(yīng)的法向

16、載荷是9.7n,相對應(yīng)的劃痕形貌如圖3(d)箭頭所指,犁起更粗顆粒,顯然第一個峰值對應(yīng)相應(yīng)的橫坐標(9.7n)不代表膜基結(jié)合力,從劃痕形貌來看,第二個峰值的臨界載荷才是膜基結(jié)合力(25n).從上述劃痕形貌的分析結(jié)果來看,出現(xiàn)聲發(fā)射突變或摩擦力”拐點”的法向載荷不一定就是臨界載荷,常會出現(xiàn)異常情況.對異常峰值或拐點的判別,除觀察劃痕形貌外,還可看聲波強度(峰值)強弱,一般說,金剛石壓頭劃破整個膜,聲波強度(峰值)很高;如果薄膜局部破損,如圖3(c)和圖3(d)只是犁起粗顆粒,聲信號的強度很弱或較弱.當在同一個樣品的聲發(fā)射譜線上出現(xiàn)兩個或兩個以上弱峰,肯定發(fā)生了異常,及時作出判斷,采取重做或用顯微

17、鏡觀察分析劃痕的形貌,以便修正.一圖3劃痕光學(xué)形貌(200)(a)a樣品26.2n處;(b)b樣品劃痕尾處;(c)c樣品24.4n處;(d)d樣品9.7n處fig.3ootimorphologies(200)ofscratchingtracksfor(a)specimenaatnormalforceof26.2n,(b)speci?menbatthetrackend,(c)specimencatthenormalforceof24.4n,and(d)specimendatthenormalload0f9.7n根據(jù)聲發(fā)射圖譜與摩擦力曲線,結(jié)合劃痕形貌修正結(jié)果,對膜基結(jié)合力進行綜合評定.以c號樣品

18、為例,在圖1中的聲發(fā)射曲線c上存在3處聲發(fā)射突變,mst劃痕儀附件光學(xué)顯微鏡形貌觀察結(jié)果表明均為顆粒剝落(第1處見圖3(c),表明此三處聲發(fā)射突變的法向載荷值均不代表膜基結(jié)合力表征值,臨界載荷應(yīng)等于或大于28n;摩擦力曲線判定的臨界載荷值也為28n或大于28n,故綜合評定c號樣的膜基臨界載荷至少為28n.經(jīng)綜合評定,a,b,第2期瞿全炎等:劃痕法綜合評定膜基結(jié)合力187c,d樣品膜基結(jié)合力表征值臨界載荷為26.2,28.0,28.0,25.on.2.4m_fir劃痕儀與ws.92劃痕儀測量結(jié)果比較本研究制備的a,b,c,d四個樣品用/vist劃痕儀測量的臨界載荷(膜基結(jié)合力)在25.028.o

19、n;而史新偉使用ws.92型劃痕儀測得膜基結(jié)合力達90n13.兩者的數(shù)值相差很大,但有可比性,應(yīng)弄清兩者之間的關(guān)系.文獻14認為,劃痕法測臨界載荷,其數(shù)值與壓頭曲率半徑平方成正比.mst劃痕儀用的壓頭曲率半徑為loopan,ws一92型儀所用壓頭曲率半徑為200ttm,可以算出,若mst測得臨界載荷值是28n,則相當ws-92劃痕儀測得的臨界載荷值是l12n.圖4樣品c在ws-92劃痕儀上的聲發(fā)射圖譜rig.4acousticemissionspeetnmaofspecimencobtained013ws-92scratchtester圖5樣品c在ws-92劃痕儀上的劃痕尾形貌fig.5sen

20、morphologyofascratchtrackendobtainedonws-9”2scratchtesterforspecimenc采用ws.92型儀對膜基結(jié)合力進行驗證,用c樣品在ws一92儀上劃痕,聲發(fā)射圖譜見圖4,劃痕尾部的sem形貌見圖5,從圖4可見,直到ws一92儀的極限(1oon)都無發(fā)射強度峰值出現(xiàn);從圖5可以看出,劃痕的形貌完整無任何破損的痕跡,可以斷定c樣品的膜基結(jié)合力表征值臨界載荷大于100n,這與上述換算值112n相吻合.樣品b,c的臨界載荷評定值均已經(jīng)超出了mst劃痕儀測試極限值(或大于100n),但還可比較兩個試樣的優(yōu)良程度,用顯微鏡來觀察劃痕的完整程度,可推測

21、樣品c比b的結(jié)合性能更好,仍有待進一步測定.3結(jié)論劃痕法只采用聲發(fā)射圖譜或摩擦力曲線不能準確地表征膜基結(jié)合力,將聲發(fā)射圖譜,摩擦力曲線與劃痕形貌三者綜合評定膜基結(jié)合力,結(jié)果更加準確可信.用mst劃痕儀的聲發(fā)射圖譜與摩擦力曲線分析了wcco/tin膜基結(jié)合力表征臨界載荷,并用劃痕形貌進行修正,并用ws.92型儀進行劃痕試驗對比,結(jié)果與lvist劃痕儀的結(jié)果吻合,驗證了劃痕法綜合評定膜基結(jié)合力的可信性.參考文獻1田晶澤,夏立芳.真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報,1999,19(4):2963002齊峰,王志浩,張琦,等.真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報,2oo6,26(5):3683713龔朝陽,羅學(xué)濤,張穎,等.真空,2oo6,43(5):19224vauij.j