纳米压痕法测试微纳米涂层的力学性能

纳⽶压痕法测试微纳⽶涂层的⼒学性能涂层⼒学性能的重要性
涂层的⼒学性能及其与基体材料的结合强度，关系到⼯件和产品的⼯艺优化和服役可靠性。

传统测试⽅法的不⾜之处
⽬前，对于传统涂层材料的⼒学性能评价应⽤较多的是宏观压⼊硬度，如布⽒硬度、洛⽒硬度和维⽒硬度等。

然⽽，微纳⽶涂层中由于涂层薄、晶粒尺⼨⼩、晶界多，具有表⾯效应、尺⼨效应等，传统的测试⽅法难以满⾜薄膜⼒学性能测试的需要。

针对这⼀情况，笔者采⽤美国安捷伦公司⽣产的G200型微/纳⽶压痕仪，对不同材料制备的微纳⽶涂层的⼒学性能进⾏了测试，为检测和评价微纳⽶涂层材料的⼒学性能提供参考。

试验原理
G200型微/纳⽶压痕仪提供了两种测试涂层⼒学性能的⽅法：⼀种是基础标准法，另⼀种是连续刚度标准法。

两种⽅法都是⽤基于对纳⽶压痕尺⼨测量基础上计算的硬度和弹性模量作为表征⼒学性能的指标。

01
基础标准法
如果只需知道某⼀个特定涂层的⼒学性能，就可以使⽤基础标准法进⾏测试。

试验在⼀个压痕点上进⾏⼀系列的(也可以是⼀个)加载-卸载过程，测试每⼀次卸载过程的载荷、深度曲线斜率，确定接触刚度，从⽽计算出硬度H 和弹性模量E，计算公式如下
式中：P为压⼊载荷；A为压痕表⾯积。

式中：β是常数，根据压头的⼏何形状确定，对于本试验的压头，取β＝1.034；S为接触刚度。

图1 基础标准法测量原理⽰意图
图1是基础标准法测量原理⽰意图，图中hc是接触深度，ht是最⼤载荷时的位移，ε是与压头有关的仪器参数。

由图1可知，载荷从0逐渐增加到最⼤载荷30mN，随后载荷基本成直线下降，此时该直线的斜率即为该试样的接触刚度S。

通过测量压⼊载荷P、压痕表⾯积A以及接触刚度S就可以计算得到硬度H和弹性模量E。

02
连续刚度标准法
连续刚度标准法是采⽤微纳⽶压痕仪通过动态加载⽅式确定界⾯的弹性接触刚度，进⽽进⾏连续的、⼩范围的界⾯间弹性的加载-卸载过程，以此连续地测试出界⾯接触刚度的数值，从⽽计算出在不同载荷下不同深度处硬度和弹性模量的数值。

通过该⽅法的测试，既可以得到硬度和弹性模量随涂层深度的变化，从⽽知道涂层的整体质量情况，也可以得到在某⼀涂层厚度范围内的硬度或弹性模量的平均值。

图2为连续刚度标准法测量原理⽰意图，连续刚度S的计算公式为
式中：F0是激励载荷幅值；Z0为位移幅值；φ为位移滞后载荷的相位⾓；ω为⾓频率；
m，Kf，Ks为仪器参数。

仪器通过测试接触刚度后⾃动计算给出硬度和弹性模量。

图2 连续刚度标准法测量原理⽰意图
聚氨酯涂层试样⼒学性能的纳⽶压痕测试
01
基础标准法测试
试验条件
测试试样为厚度约200µm的聚氨酯涂层(基材为玻璃)，对其进⾏最⼤载荷为50mN的5个循环的纳⽶压痕试验，每后⼀个加载循环的载荷是前⼀个循环的2倍，第5个循环达到最⼤载荷。

加载时间为15s，每个循环最⼤载荷保持时间为10s。

试验结果
图3 基础标准法测试聚氨酯涂层的d-P/H曲线
图4 基础标准法测试聚氨酯涂层的d-P/E曲线
由图3和图4可知：在涂层深度为15000nm到35000nm处所测得的涂层材料硬度和弹性模量基本保持不变；⽽在500~15000nm涂层深度，涂层材料硬度和弹性模量随压头位移的增⼤⽽逐渐减⼩。

02
纳⽶压痕试验
试验条件
试验采⽤连续刚度标准法测量涂层的硬度及弹性模量，设计试验的最⼤压⼊深度为1500nm，试样1为M2⾼速钢基材，表⾯电镀AlTiN；试样2为硬质合⾦基材，表⾯电镀AlTiN，涂层厚度都约为300nm。

试验结果
图5 连续刚度标准法测试AlTiN涂层的d-H曲线
图6 连续刚度标准法测试AlTiN涂层的d-E曲线
由图5和图6可知：在压⼊深度较浅时，涂层表⾯粗糙度使测试结果有较⼤的波动；压⼊深度达到100nm 后，此种表⾯效应基本上不再存在，两个试样的硬度以及弹性模量曲线基本重合。

表1 连续刚度标准法测量不同基材AlTiN涂层的硬度和弹性模量结果
由表1可知，即使基材不同，但涂层厚度相近的同种涂层的⼒学性能差别不⼤。

硬质合⾦基材表⾯不同厚度TiN 涂层的纳⽶压痕实验
01
试验条件
采⽤连续刚度标准法对硬质合⾦表⾯不同厚度的TiN 涂层进⾏硬度和弹性模量测试。

试样3和试样4的涂层厚度分别为1500nm 和500nm。

为了防⽌涂层厚度对测试结果有影响，选择的最⼤压⼊深度为涂层厚度的30％，即分别为450nm 和150nm。

02
试验结果
图7 连续刚度标准法测试硬质合⾦表⾯TiN涂层的d-H曲线
图8 连续刚度标准法测试硬质合⾦表⾯TiN涂层的d-E曲线
由图7和图8可知，尽管两个试样的涂层厚度不⼀样，但在150nm 深度范围内同⼀压⼊深度下测得的硬度基本⼀致。

但是，由图8可知，即使是在同⼀深度下，测得的两个试样涂层的弹性模量差别很⼤。

试样3选取压⼊深度为250，300，350nm 的3次测试的平均值，试样4选取压⼊深度
50，75，100nm 的3次测试的平均值，结果见表2。

表2 连续刚度标准法测试硬质合⾦基材上不同膜厚TiN涂层的硬度和弹性模量结果
分析与讨论
01
纳⽶压痕法测量的表⾯效应
由于纳⽶压痕法测量涂层的硬度和弹性模量时所使⽤的压⼒很⼩、压⼊深度不⼤，所以由图5~8的测试曲线可知，当压⼊深度很⼩时，特别是当压⼊深度与试样表⾯粗糙度的特征波长成⽐例时，就会产⽣明显的表⾯效应。

这主要是由表⾯粗糙度所引起的，主要表现为刚开始测试时数据不真实和分散。

为尽可能地减少表⾯粗糙度所带来的影响，ISO14577-1：2015规定，对维⽒压头，建议压⼊深度不⼩于20µm，以保证表⾯粗糙度引起的压⼊深度的不确定度⼩于5％。

02
基材及涂层厚度的影响
由图5和图6可知，基材对涂层的⼒学性能没有影响，这主要是因为测量的只是涂层的⼒学性能，基材的影响只限于基材与涂层的结合处。

但涂层不同时，所测得的涂层的⼒学性能不同。

由图7和图8可知，在同⼀基材(硬质合⾦)表⾯制备同⼀AlTi涂层⽽涂层厚度相差3倍时，在压⼊深度⼩于150nm的浅表层内测得的涂层硬度差别不⼤，可是两个试样涂层的浅表层内弹性模量测试值相差很⼤。

研究表明，涂层内部的微观结构和内应⼒是造成涂层厚度不同时涂层弹性模量变化的主要原因，制备涂(镀)层薄膜时，涂层越厚、致密度越⾼、内应⼒越⼤，导致测试的涂层的弹性模量就越⼤。

结论
(1) 使⽤纳⽶压痕法能检测和表征微纳⽶涂层材料的硬度和弹性模量及其随涂层厚度的变化趋势，从⽽了解涂层的⼒学性能以及与基体的结合质量情况。

(2) 纳⽶压痕法测试涂层⼒学性能时存在明显的表⾯效应，⼀般建议压⼊深度不⼩于20µm，以保证表⾯粗糙度引起的压⼊深度的不确定度⼩于5％。

选⾃：《理化检验-物理分册》 Vol.54 2018.7
作者：莫明珍，⾼级⼯程师，⼴东出⼊境检验检疫局技术中⼼。