薄膜力学性能资料
薄膜力学性能解析
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二、残余应力的测量
1. Stoney公式
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
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，Stoney给出了二者之间的
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分类
脆性薄膜
按
脆性基底
力
学
性
质 分
脆性薄膜
类
韧性基底
韧性薄膜 脆性基底
韧性薄膜 韧性基底
4
4.1 薄膜的弹性性能
一、薄膜的弹性常数
弹性模量是材料最基本的力学性能参之一，由于 薄膜的某些本质的不同之处，其弹性模量可能完全不 同于同组分的大块材料。
5
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，
2
y
2bdy
hs 2
hs 2h f
I f y2bdy
hs 2
(4.3)
实验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(4.1)式求出薄板的抗弯刚度，若基 体弹性模量已知，则利用(4.2)式可求得薄膜的弹性模量。
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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
详细推导过程见流程图2。
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表4.1 式(4.21)中对应于hg /R 的系数
16
17
图2 根据p-h 曲线确定应力－应变关系的流程图
4.2 薄膜的残余应力
一、残余应力的来源
通常认为，薄膜中的残余应力分为热应力和内应力两种 。
薄膜材料物理-薄膜的力学性质
塑性变形机制
屈服强度是描述材料抵抗塑性变形能力的物理量，当外力达到屈服强度时，材料开始发生不可逆的塑性变形。
应力-应变曲线是描述材料在受力过程中应力与应变关系的曲线，通过该曲线可以确定材料的弹性模量和屈服强度等力学性能参数。
屈服强度与应力-应变曲线
应力-应变曲线
屈服强度
塑性形变对薄膜物理性能的影响
断裂表面形貌与机理
温度对薄膜的力学性能产生影响，低温下材料脆性增大，高温下材料韧性增强。
温度
湿度
加载速率
湿度对薄膜材料的力学性能产生影响，湿度过高可能导致材料吸湿膨胀，降低力学性能。
加载速率越快，材料吸收的能量越少，断裂强度越低。
03
02
01
பைடு நூலகம்
环境因素对薄膜断裂性质的影响
05
薄膜的疲劳性质
薄膜在循环应力作用下，经过一段时间后发生断裂的现象。
屈服强度
断裂强度是描述材料在受到外力作用时发生断裂行为的应力值，对于薄膜材料，其断裂强度也是衡量其力学性能的重要参数之一。
断裂强度
薄膜的力学性能参数
02
薄膜的弹性性质
弹性模量
是指材料在受到外力作用时，单位面积上产生的正应力与应变之比，是衡量材料抵抗弹性变形能力的物理量。对于薄膜材料，其弹性模量决定了材料在受力时的刚度和变形程度。
疲劳现象
循环应力导致薄膜内部产生微裂纹，裂纹逐渐扩展导致薄膜断裂。
疲劳机理
循环应力的幅值、频率、温度、薄膜材料的性质等。
影响因素
疲劳现象与机理
疲劳寿命预测与实验验证
疲劳寿命预测
基于疲劳裂纹扩展速率和应力强度因子幅值，预测薄膜的疲劳寿命。
实验验证
通过实验测试薄膜的疲劳寿命，与预测结果进行对比，评估预测模型的准确性。
聚酰亚胺薄膜泊松比
聚酰亚胺薄膜泊松比
聚酰亚胺薄膜是一种具有广泛应用的高性能材料，其泊松比是描述其力学性能的重要参数之一。
泊松比代表了材料在受力时的体积变形程度，即在拉伸或压缩过程中，材料在横向收缩或伸展的程度。
对于聚酰亚胺薄膜这样的高分子材料而言，泊松比一般较小，通常在0.2左右。
聚酰亚胺薄膜的低泊松比使其具有一些独特的性能。
首先，它具有较高的强度和刚度，能够承受较大的拉伸应力而不易发生破裂。
其次，由于泊松比较小，聚酰亚胺薄膜在受力时不易发生体积变化，具有较好的维形性能。
这使得它在一些特定领域得到了广泛的应用。
聚酰亚胺薄膜的低泊松比使其在电子领域具有重要的应用价值。
例如，在柔性电子器件中，聚酰亚胺薄膜可以作为衬底材料，用于制备柔性显示屏和可弯曲电路板。
其低泊松比能够有效减小由于机械弯曲引起的电子元件的应力集中，从而提高器件的可靠性和寿命。
聚酰亚胺薄膜还在光学领域具有广泛的应用。
其低泊松比使其能够抵抗由于温度变化引起的应力，从而保持光学元件的稳定性。
例如，在高分辨率显微镜中，聚酰亚胺薄膜可以作为透镜材料，具有优异的抗应力性能和光学透明性，能够提供清晰的成像效果。
聚酰亚胺薄膜还在航空航天、医疗器械等领域得到广泛应用。
其低泊松比和优异的机械性能使其能够承受复杂的应力环境，保证设备
的可靠性和稳定性。
聚酰亚胺薄膜的泊松比是其重要的力学性能参数之一。
其低泊松比使其具有较高的强度、刚度和维形性能，适用于各种领域的应用。
在电子、光学、航空航天等领域，聚酰亚胺薄膜发挥着重要的作用，为各种高性能器件和设备的制备提供了优良的材料选择。
薄膜材料的力学行为与性能优化
薄膜材料的力学行为与性能优化薄膜材料是一种在工业和科学研究中广泛应用的材料，具有独特的力学行为和性能。
力学行为是指材料在外力作用下的变形和破坏规律，而性能则是指材料在特定条件下的使用效果和可靠性。
本文将探讨薄膜材料的力学行为以及如何优化其性能。
首先，薄膜材料的力学行为与其厚度密切相关。
薄膜材料由于其厚度较小，表面积较大，因此在外力作用下更容易发生变形和破坏。
例如，金属薄膜在受到拉伸力时，由于其原子间距较大，容易出现滑移和塑性变形，导致薄膜的延展性较好。
而陶瓷薄膜则由于其原子间距较小，容易出现断裂和脆性破坏。
因此，针对不同类型的薄膜材料，需要采取不同的力学行为优化策略，以提高其力学性能。
其次，薄膜材料的力学行为还与其组织结构和晶体结构密切相关。
薄膜材料的组织结构可以通过控制制备工艺来调控，例如沉积温度、沉积速率等。
晶体结构则可以通过控制材料的成分和晶格缺陷来调控。
通过优化组织结构和晶体结构，可以改变薄膜材料的晶界强化效应、位错强化效应等，从而提高其力学性能。
例如，通过控制沉积温度和沉积速率，可以得到具有较高晶界密度和较小晶粒尺寸的薄膜材料，从而提高其抗拉强度和硬度。
此外，薄膜材料的力学行为还与其表面处理和界面结合方式密切相关。
薄膜材料的表面处理可以通过化学处理、离子注入等方法来实现。
界面结合方式可以通过选择合适的衬底材料、控制沉积工艺等来实现。
通过优化表面处理和界面结合方式，可以改善薄膜材料的界面结合强度和界面应力传递效果，从而提高其力学性能。
例如，通过在薄膜材料表面形成一层氧化膜，可以提高其抗腐蚀性能和界面结合强度。
最后，薄膜材料的性能优化还需要考虑其力学行为与其他性能指标的综合关系。
例如，薄膜材料的力学性能与其光学性能、电学性能等密切相关。
在实际应用中，需要综合考虑薄膜材料的各项性能指标，以满足特定的使用需求。
例如，在太阳能电池中，需要选择具有较高光吸收率和较好光电转换效率的薄膜材料，以提高太阳能的利用效率。
ITO薄膜性能及制成技术的发展
ITO薄膜性能及制成技术的发展ITO薄膜，即氧化铟锡（indium tin oxide），是一种广泛应用于电子器件、光电器件和显示器件等领域的透明导电薄膜材料。
随着电子产品和光电器件的快速发展，ITO薄膜的性能和制成技术也在不断改进和发展。
一、ITO薄膜的性能改进：1.透明性能：ITO薄膜具有很好的透明性，可以使光线透过材料而不受太大影响。
随着技术的进步，ITO薄膜的透明度得到了显著提高，目前常见的ITO薄膜透明度可达到90%以上。
2. 导电性能：ITO薄膜具有良好的导电性能，可用于制作导电膜、电极、传感器等。
随着研究的深入，不仅提高了ITO薄膜的导电性，使其电阻率降低到了10-4 Ω·cm以下，而且还改善了薄膜的稳定性和可靠性。
3.光学性能：ITO薄膜不仅具有透明性，还具有一定的光学性能，如折射率和反射率。
通过调整材料成分和制备工艺参数，可以改变ITO薄膜的折射率和反射率，以满足具体的应用需求。
4.力学性能：ITO薄膜的力学性能直接影响其耐用性和可靠性。
随着研究的深入，研究人员提出了一些改善ITO薄膜力学性能的方法，如控制薄膜的晶体结构和晶界形貌，以提高其硬度和耐磨性。
二、ITO薄膜的制成技术发展：1.真空蒸发法：真空蒸发法是一种常用的制备ITO薄膜的方法。
通过在真空环境下加热ITO靶材，使其蒸发并沉积到基底上形成薄膜。
该方法操作简单、成本较低，但对于大面积均匀性要求较高。
2.磁控溅射法：磁控溅射法是一种利用靶材表面离子轰击溅射出材料并沉积到基底上的方法。
通过控制溅射时间、功率和沉积温度等参数，可以得到具有不同性能的ITO薄膜。
磁控溅射法能够得到高质量、均匀性好的薄膜，但设备较为复杂、成本较高。
3.溶胶凝胶法：溶胶凝胶法是一种通过溶解或胶化ITO前驱体，然后沉积到基底上并经过热处理得到薄膜的方法。
该方法具有工艺灵活、适用于大面积薄膜制备的优点，同时还可以通过添加掺杂剂来调控薄膜的性能。
8 薄膜力学性能
薄膜力学性能
沈杰 复旦大学材料科学系
薄膜力学性能
附着力 薄膜厚度一般小于1微米，本身的机械强度导致其无法单独存在， 总要附着在各种基片上。 薄膜与基片之间的附着性能直接影响到薄膜的各种性能。 附着性差，薄膜无法使用。 应力 在制作过程中，薄膜结构受到工艺条件影响很大，薄膜内部因此 而产生一定的应力。 基片材料与薄膜材料之间热膨胀系数不同，也会使薄膜产生应力。 过大的内应力将使薄膜卷曲和开裂，导致失效。 硬度
复旦大学材料科学系
薄膜材料与器件
本征应力
热应力 本征应力：薄膜形成过程中由于缺陷等原因而引起的内应力。 本征应力与薄膜厚度有关。在薄膜厚度很薄时(10nm以下) ，构成薄膜 的小岛互不相连，即使相连也呈网状结构，此时的内应力较小。随着 膜厚的增加，小岛相互连接，由于小岛之间晶格排列的差异以及小孔 洞的存在，使内应力迅速增大，并出现最大值。膜厚进一步增加，并 形成连续膜时，膜中不再有小孔洞存在，此时应力减小并趋于稳定值。
复旦大学材料科学系
薄膜-基片界面
简单附着 (突变界面 )：薄膜与基片之间存在清 楚的分界面，相互作用为范德瓦尔斯力 扩散附着 (扩散界面 )：在薄膜和基片之间通过 基片加热、离子注入、离子轰击等方法实现原 子的互扩散，形成一个渐变界面，使薄膜与基 片的接触面积明显增加，附着力相应增加。 中间层附着 (复合界面 )：薄膜与基片之间形成 化合物中间层，薄膜通过中间层与基片形成牢 固的附着。 宏观效应附着： 机械锁合：基片表面的微观的凹凸、微孔 或微裂缝。在沉积薄膜时，部分原子进入 凹凸之中或微孔、微裂缝中，增加附着力。 双电层吸引：两种功函数不同的材料互相 接触时会发生电子转移，在界面两边聚集 起电荷，形成双电层，具有静电吸引能。 复旦大学材料科学系
塑料薄膜力学性能检测标准有哪些塑料薄膜力学性能检测方法汇总
塑料薄膜力学性能检测标准有哪些塑料薄膜力学性能检测方法汇总塑料薄膜被广泛应用在各种包装材料当中，不同的包装需求，需要用到不同的材料。
塑料薄膜的力学性能是衡量包装在生产、运输、货架展示、使用等环节对内容物实施保护的基础指标，一般包括：抗拉强度与伸长率、复合膜剥离强度、热合强度、耐穿刺性能、耐冲击性能、耐撕裂性能、抗揉搓性能、耐压性能等指标。
检测橡塑材料检测实验室可各类塑料薄膜力学性能检测服务。
作为第三方检测中心，机构拥有CMA、CNAS检测资质，检测设备齐全、数据科学可靠。
塑料力学性能：拉伸性能塑料的拉伸性能试验包括拉伸强度、拉伸断裂应力、拉伸屈服应力、断裂伸长率等试验。
塑料拉伸性能试验的方法国家标准有几个，适用于不同的塑料拉伸性能试验。
GB/T 1040－1992 《塑料拉伸性能试验方法》一般适用于热塑性、热固性材料，这些材料包括填充和纤维增强的塑料材料以及塑料制品。
适用于厚度大于1 mm的材料。
GB/T13022－1991《塑料薄膜拉伸性能试验方法》是等效采用国际标准ISO1184－1983《塑料薄膜拉伸性能的测定》。
适用于塑料薄膜和厚度小于1mm 的片材，该方法不适用于增强薄膜、微孔片材、微孔膜的拉伸性能测试。
以上两个标准中分别规定了几种不同形状的试样，和拉伸速度，可根据不同产品情况进行选择。
如伸长率较大的材料，不宜采用太宽的试样；硬质材料和半硬质材料可选择较低的速度进行拉伸试验，软质材料选用较高的速度进行拉伸试验等等。
塑料力学性能：撕裂性能撕裂性能一般用来考核塑料薄膜和薄片及其它类似塑料材料抗撕裂的性能。
GB/T 16578－1996《塑料薄膜和薄片耐撕裂性能试验方法裤形撕裂法》是等效采用国际标准ISO 6383－1：1983《塑料－薄膜和薄片－耐撕裂性能的测定第1部分；裤形撕裂法》适用于厚度在1mm以下软质薄膜或片材。
试验方法是将长方形试样在中间预先切开一定长度的切口，像一条裤子。
故名裤形撕裂法。
3-第三讲--薄膜材料物理--第二章薄膜的力学性质
⑥淀积气氛对薄膜附着力的影响 淀积初期→氧和水蒸气分压→氧化膜中间层→附着↑ 淀积初期→氧和水蒸气分压→氧化膜中间层→附着↑
第三讲 第二章 薄膜的力学性质
§2.2 附着力的测试方法 机械方法数种如下： 机械方法数种如下： 条带法（剥离法）、引拉法（直接法）、 ）、引拉法 条带法（剥离法）、引拉法（直接法）、 划痕法、 推倒法、摩擦法、扭曲法、 划痕法、 推倒法、摩擦法、扭曲法、 离心法、超声法、振动法等。 离心法、超声法、振动法等。 2.2.1 条带法 三种可能： 三种可能： ①薄膜随附着带全部从基片上剥离下来； 薄膜随附着带全部从基片上剥离下来； 仅部分剥离下来； ②仅部分剥离下来； 未剥离→说明薄膜附着好→ ③未剥离→说明薄膜附着好→定性测量
第三讲 第二章 薄膜的力学性质
扩散附着—由两个固体间相互扩散或溶解而导致 ②扩散附着 由两个固体间相互扩散或溶解而导致 在薄膜和基片间形成一个渐变界面。 在薄膜和基片间形成一个渐变界面。 实现扩散方法：基片加热法、离子注入法、 实现扩散方法：基片加热法、离子注入法、 离子轰击法、电场吸引法。 离子轰击法、电场吸引法。 基片加热法：加温曲线（工艺） 基片加热法：加温曲线（工艺） 离子轰击法：先在基片上淀积一层薄20 30nm） 20离子轰击法：先在基片上淀积一层薄20-30nm） 金属膜，再用高能（100KeV） 金属膜，再用高能（100KeV）氩离子对 它进行轰击 实现扩散 再镀膜 电场吸引法： 电场吸引法：在基片背面镀上导体 加电压 吸离子 溅射镀膜比蒸发镀膜附着牢， 溅射镀膜比蒸发镀膜附着牢，因为溅射粒子动 扩散。 能大 扩散。
r 2 − a2
π r2P −W
•单位面积的剥离能 单位面积的剥离能: 单位面积的剥离能
E=
薄膜性能测试实验报告
一、实验目的本次实验旨在通过测试薄膜的物理性能，了解薄膜在不同条件下的力学性能，为薄膜材料的选择和应用提供依据。
主要测试内容包括薄膜的纵横向拉伸性能、抗穿刺强度、摩擦系数、剪切性能和疲劳性能等。
二、实验原理薄膜的物理性能测试是通过模拟实际应用中可能遇到的力学环境，对薄膜材料进行拉伸、压缩、弯曲等力学测试，从而得到薄膜的力学性能参数。
实验原理基于材料的弹性变形理论，通过测量加载力、变形量和应变速率等数据，计算得到薄膜的拉伸强度、拉伸模量、断裂伸长率等参数。
三、实验仪器与材料1. 实验仪器：TA.XTC薄膜性能测试仪、薄膜拉力试验机、针形探头等。
2. 实验材料：待测试的薄膜样品。
四、实验方法与步骤1. 薄膜的纵横向拉伸性能测试（1）使用TA.XTC薄膜性能测试仪，将薄膜样品裁剪成长条形规格，上下端分别固定在仪器的夹具上。
（2）一端不动，另一端匀速移动拉伸薄膜直至完全断裂。
（3）记录薄膜的拉伸挺度，数值越高，薄膜的抗拉伸形变能力越强。
2. 薄膜的抗穿刺性能测试（1）使用TA.XTC薄膜性能测试仪，将薄膜样品固定在平台夹具上。
（2）用针形探头缓慢刺向薄膜，直至刺破。
（3）记录薄膜的抗穿刺性能，数值越高，薄膜的抗穿刺能力越强。
3. 薄膜的摩擦系数测试（1）使用TA.XTC薄膜性能测试仪，将薄膜样品固定在夹具上。
（2）在薄膜表面施加一定的压力，使用摩擦系数测试装置进行测试。
（3）记录薄膜的摩擦系数。
4. 薄膜的剪切性能测试（1）使用TA.XTC薄膜性能测试仪，将薄膜样品固定在夹具上。
（2）在薄膜表面施加一定的压力，进行剪切测试。
（3）记录薄膜的剪切强度。
5. 薄膜的疲劳性能测试（1）使用TA.XTC薄膜性能测试仪，将薄膜样品固定在夹具上。
（2）对薄膜进行周期性的拉伸和放松，模拟实际应用中的疲劳过程。
（3）记录薄膜的疲劳寿命。
五、实验结果与分析1. 薄膜的纵横向拉伸性能测试结果本次实验测试的薄膜样品在纵横向拉伸性能方面表现良好，其拉伸挺度较高，抗拉伸形变能力强。
薄膜物理与技术-7 薄膜的物理性质--(1) 薄膜的力学性质
解决方法：基片清洗→去掉污染层（吸附层使基片 表面的化学键饱和，从而薄膜的附着力差）→提高 附着性能。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
②提高基片温度 提高温度,有利于薄膜和基片之间原子的相互扩散 →扩散附着有利于加速化学反应形成中间层 →中间层附着 须注意：T↑→薄膜晶粒大→热应力↑→其它性能变
薄膜物理与技术
第七章 薄膜的物理性质
宋春元 材料科学与工程学院
第七章 薄膜的物理性质
概述
由于薄膜材料的不同，各种薄膜(如金属膜、 介质膜、半导体膜等)都有各自不同的性质。了解 薄膜的力学、电学、光学、热学及磁学性质， 对薄膜的应用有着十分重要的意义。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 7.2 7.3 7.4 7.5
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力 薄膜附着的类型
薄膜的附着可分为四种类型： （a）简单附着 （b）扩散附着 （c）通过中间层附着 （d）宏观效应附着等。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质--7.1.1 薄膜的附着力
附着的四种类型示意图(图7-1)
简单附着
第七章 薄膜的物理性质-之薄膜的力学性质
7.1.2 薄膜的内应力--内应力的成因
(相转移效应
在薄膜形成过程中发生的相转移是从气相到固相 的转移。在相转移时一般都发生体积的变化。这是形 成内应力的一个原因。 Ga膜在从液相到固相转移时体积发生膨胀，形成 的内应力是压缩应力。 Sb（锑）膜在常温下形成时为非晶态薄膜。当厚 度超过某一个临界值时便发生晶化。这时体积发生收 缩，形成的内应力为张应力。
薄膜材料的弯曲性能分析
薄膜材料的弯曲性能分析薄膜材料是一种厚度相对较小的材料，具有重要的应用价值。
其弯曲性能是指在外力作用下，薄膜材料能够承受的变形能力和变形后的恢复能力。
对薄膜材料的弯曲性能进行分析，可以帮助我们更好地了解其力学性质及应用潜力。
本文将从薄膜材料的本质、弯曲性能测试方法及影响因素等方面进行探讨。
一、薄膜材料的本质薄膜材料是一种厚度通常在纳米到微米级别的材料，由于其特殊的结构和性质，被广泛应用于光学、电子、能源等领域。
薄膜材料往往具有高比表面积、低密度、高强度等优势，且可具备多种功能，如透明、导电、耐热等。
这些特性使得薄膜材料在新能源、柔性电子等领域有着广泛应用前景。
二、弯曲性能测试方法1. 常规力学测试方法常规力学测试方法是指通过施加外力，测量薄膜材料在不同应变下的力学性能。
一般可以采用拉伸测试、压缩测试和弯曲测试等方式。
其中，弯曲测试是一种常用的测试方法，通过在样品上施加弯曲力，在弯曲变形下测试薄膜材料的力学性能。
弯曲测试可以得到材料的弹性模量、屈服强度、断裂强度等力学参数。
2. 表面形貌分析方法表面形貌分析方法主要通过扫描电子显微镜（SEM）等设备对薄膜材料的表面进行观察和分析。
通过对薄膜材料弯曲前后的表面形貌进行对比，可了解薄膜材料的弯曲性能和变形机制。
三、影响薄膜材料弯曲性能的因素薄膜材料的弯曲性能受多种因素的影响，下面将介绍其中几个主要因素。
1. 材料的性质材料的性质是影响弯曲性能的重要因素。
不同材料的强度、韧性、脆性等性质差异较大，因此会导致弯曲性能的差异。
材料的晶体结构、晶界、缺陷等也是影响弯曲性能的关键因素。
2. 弯曲半径弯曲半径是指材料在弯曲过程中所呈现的曲率半径。
弯曲半径越小，薄膜材料的弯曲应变就越大，易导致材料失去弯曲强度，出现开裂或破碎。
3. 弯曲速度弯曲速度是指材料在弯曲过程中的变形速率。
弯曲速度过快会导致材料的弯曲过程发生塑性变形，而过慢则可能导致应力集中和材料破裂。
4. 环境条件环境条件也是影响薄膜材料弯曲性能的因素之一。
薄膜的制备及其力学性能测试方法
薄膜的制备及其力学性能测试方法摘要：本文介绍了多种薄膜的制备方法和优缺点，同时介绍了纳米压痕和鼓泡法两种力学性能测试方法。
关键词：薄膜制备纳米压痕法鼓泡法力学性能0引言近年来,随着工业的现代化、规模化、产业化,以及高新技术和国防技术的发展,对各种材料表面性能的要求越来越高。
20世纪80年代,现代表面技术被国际科技界誉为最具发展前途的十大技术之一。
薄膜、涂层和表面处理材料的极薄表层的物理、化学、力学性能和材料内部的性能常有很大差异,这些差异在摩擦磨损、物理、化学、机械行为中起着主导作用,如计算机磁盘、光盘等,要求表层不但有优良的电、磁、光性能,而且要求有良好的润滑性、摩擦小、耐磨损、抗化学腐蚀、组织稳定和优良的力学性能。
因此,世界各国都非常重视材料的纳米级表层的物理、化学、机械性能及其检测方法的研究。
[1]同时随着材料设计的微量化、微电子行业集成电路结构的复杂化,传统材料力学性能测试方法已难以满足微米级及更小尺度样品的测试精度,不能够准确评估薄膜材料的强度指标和寿命 ;另外在材料微结构研究领域中, 材料研究尺度逐渐缩小,材料的变形机制表现出与传统块状材料相反的规律[2],所以薄膜的制备及其力学性能测试方法就成了重点。
1.薄膜材料的制备方法1.1化学气相沉积法化学气相沉积是一种材料的合成过程,气相原子或分子被输运到衬底表面附近,在衬底表面发生化学反应,生成与原料化学成分截然不同的薄膜。
化合物蒸汽一般是常温下具有较高蒸汽压的气体,多采用碳氧化物、氧氧化物、卤化物、有机金属化合物等。
化学气相沉积法成膜材料范围广泛,除了碱金属、碱土金属以外,几乎所有的材料均可以成膜,特别适用于绝缘膜、超硬膜等特殊功能膜的沉积。
1.2真空热键法真空蒸镀法是将镀料在真空中加热、蒸发,使蒸发的原子或原子团在温度较低的基底上析出进而形成薄膜。
加热镀料的方法主要是利用湾等高溶点金属通电加热(电阻加热法)和电子束加热法为主。
为了防止高温热源的燃烧和镀料、膜层的氧化,必须把蒸镀室抽成真空。
pi 力学
pi 力学
聚酰亚胺（PI）是一种基于酰亚胺环结构的具有高性能特性的高分子材料。
PI薄膜具有优良的力学性能，包括拉伸强度和拉伸模量，其中均苯型聚酰亚胺薄膜（Kapton）的拉伸强度为170 MPa、拉伸模量为3.0 GPa，而联苯型聚酰亚胺（Upilex）的拉伸强度可达400 MPa、拉伸模量为3-4 GPa，增强后可大于200 GPa。
此外，PI薄膜还具有耐超低温特性，即使在超低温的液氮中，也不会脆裂，仍能保持一定的机械强度。
PI薄膜的尺寸稳定性也比较好。
这些特性使得PI薄膜广泛应用于信息、能源、医疗等各个领域，尤其是随着柔性OLED折叠屏开始广泛应用，推动了PI薄膜的发展。
因此，为了保证PI薄膜的质量和性能，需要对薄膜进行力学测试，而拉伸测试是其中最重要的力学测试之一。
8 薄膜力学性能.
复旦大学材料科学系
薄膜材料与器件
附着力
附着力:薄膜与基片保持接触，二者的原子互相受到对方的作用，这种 状态称为附着。 范德瓦尔斯力 又分为定向力、诱导力、色散力。前两种力来源于永久偶极矩。 而色散力则是由电子在围绕原子核的运动中所产生的瞬时偶极矩 而产生的。 极性材料中定向力和诱导力的作用较强，但是大部分材料只有色 散力。 单纯的物理附着，范德瓦尔斯力一般比较小，其附着能的范围在 0.04~0.4 eV之间。 化学键 在薄膜与基片之间形成化学键后的结合力。 产生化学键的原因：价电子发生了转移，不再为原来的原子独有。 一种短程力，通常远大于范德瓦尔斯力，一般约为0.4~10 eV。
着力增大。
基片温度过高会使薄膜晶粒粗大，增加膜中的热应力，从而影响薄膜
的其它性能。因此在提高基片温度时应作全面考虑。
采用离子(溅射、离子助沉积、离子束沉积)
溅射优于蒸发。溅射粒子的能量较高，既可排除表面吸附的气体，增
加表面活性，又有利于薄膜原子向基片中扩散，薄膜附着力明显提高。
离子轰击不仅能清洁表面，还有活化作用，有利于化学键形成。
复旦大学材料科学系
薄膜材料与器件
热应力
热应力 在制备薄膜的过程中，薄膜和基片都处于比较高的温度，当薄膜制备 完以后，它与基片又都恢复到常温状态，由于薄膜和基片的热膨胀系 数不同，这样在薄膜内部必然产生内应力，这种仅由热效应产生的应 力称为热应力。 热应力随温度的不同而不同，当薄膜与基片的热膨胀系数与温度无关 时，热应力随温度作线性变化，薄膜和基片的热膨胀系数越接近，热 应力也就越小。
复旦大学材料科学系
薄膜材料与器件
内应力
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th f TsTdT
(4.22)
根据Hooke’s定律，应力为
th
E
1 f
th
(4.23)
18
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
i
1
Ef
f
xa a
1
Ef
f
Lg
(4.24)
式中 a为薄膜材料为无残余应力时的晶格常数， x 为a由于
详细推导过程见流程图2。
15
表4.1 式(4.21)中对应于hg /R 的系数
16
17
图2 根据p-h 曲线确定应力－应变关系的流程图
4.2 薄膜的残余应力
一、残余应力的来源
通常认为，薄膜中的残余应力分为热应力和内应力两种 。
热应力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。热应力对应的弹性应变为
3
分类
脆性薄膜
按
脆性基底
力
学
性
质 分
脆性基底
韧性薄膜 韧性基底
4
4.1 薄膜的弹性性能
一、薄膜的弹性常数
弹性模量是材料最基本的力学性能参之一，由于 薄膜的某些本质的不同之处，其弹性模量可能完全不 同于同组分的大块材料。
5
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，
对称压头载荷与压头深度之间的弹性解析分析，其结果
为
S dP dh
2
Er
A
(4.4)
这里，h为压头的纵向位移，S dP为d试h 验载荷曲线的薄
膜材料刚度， 是压A头的接触面积。
8
Er 为约化弹性模量
1
1
2 f
1i2
(4.5)
Er
Ef
Ei
其中的 E f、 E、i 、 f 分别 i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
H Pmax A
(4.6)
当 A、 dP和dh 确P定ma后x ，可利用式(4.4)、(4.5)和(4.6)分别
求出薄膜的弹性模量和硬度值。
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二、薄膜的应力应变关系
1. 拉伸法
基体和薄膜的应力应变关系均满足：
s s
8Gs 1
s
s
s
Fs s
Ss
f f
被满足，实际情况下薄膜和基底厚度相差非常大。 (2) E f 即E基s 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
y
1
E
y
f
n
(4.14)
式中， 是f 超过屈服应变 的y 总的有效应变。 表示r 应力 ，定义为 时 的f 流动r 应力， 表示应变r 。
12
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？
13
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 P可视为下列独立参数的函数：材料的杨氏模 量 、E泊松比 ,压头的杨氏模量 、泊Ei松比 ， 屈i 服强度
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Lg晶体尺寸。
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二、残余应力的测量
1. Stoney公式
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
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，Stoney给出了二者之间的
关系
f
E
1 s
t
2 s
6rt f
(4.26)
式中下标 f和 分s 别对应于薄膜和基底， 为t 厚度， 为r曲
率半径， 和 E分别是基底的弹性模量和泊松比。
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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 (1) t f 即t薄s 膜厚度远小于基低厚度。这一条件通常都能
第四章 薄膜力学性能部分
1
第四章 薄膜的力学性能
4.1 薄膜的弹性性能 4.2 薄膜的残余应力 4.3 薄膜的断裂韧性 4.4 薄膜的硬度 4.5 薄膜的摩擦、磨损和磨蚀
2
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10)m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。
s f
根据(4.7)、(4.8)、(4.9)和(4.10)，得到
(4.10)
F sSs f S f
f
F
sSs
Sf
(4.11) (4.12) 11
2. 压痕法
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。
E K
n
y y
(4.13)
当 时y，流动应力也可表示成如下形式
2
y
2bdy
hs 2
hs 2h f
I f y2bdy
hs 2
(4.3)
实验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(4.1)式求出薄板的抗弯刚度，若基 体弹性模量已知，则利用(4.2)式可求得薄膜的弹性模量。
7
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
两支点的跨距为 ，载L荷增量 与中心F挠度增量
的
关系为
z
hs 2
hf
z hs
2
F 48 S
L3
(4.1)
z0
S 为薄板抗弯刚度。
z hs
L
2
6
单面镀膜的膜基复合薄板的抗弯刚度 S为
S EsIs E f I f
(4.2)
式中I和s I分f 别是基体部分和薄膜部分对 轴z的惯性矩，
Is
hs
对(4.17)式进行量纲分析，得
P
r
h
2
1
E
r r
, n,
h R
给定 h和 R，式(4.18)可化为
Pg
r
hg
2
1
Er
r
, n
无量纲函数的表达式为
(4.18) (4.19)
1
E
r r
C1
ln
3
E
r r
C2
ln
2
Er
r
C3
ln
E
r r
C4
(4.21)
式中，系数C1 ，C2 ，C3 ，C4 是与hg /R 值相关量，详见表4.1。
8G f f 1 f
f
Ff f
Sf
(4.7) (4.8)
其中，F和 分S 别表示外加载荷和横截面积，下标 和 f
s 分别表示基体和薄膜的相关量。
10
基体和薄膜作为一个整体的试件在外加载荷 F作用下，分
别加载在基体和薄膜上
F Fs F f
(4.9)
在拉伸过程中，基体和薄膜没有剥落前，两者的变形一致
，硬化指 数y ，压痕深度n以及压头半径 。故 可表示R 为
P
P f E, v, Ei , vi , y , n, R, h
(4.15)
用约化杨氏模量 E即r
简化上式，得
亦可写为
P f Er , y , n, R, h
P f Er , r , n, R, h
(4.16) (4.17)
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