薄膜力学性能评价技术

薄膜力学性能评价技术

一、薄膜概述

薄膜可定义为用物理、化学等方法，在金属或非金属基底表面形成的一层具有一定厚度的、不同于基体材料性质、且具有一定的强化、防护或特殊功能的覆盖层[1]。薄膜与基体是不可分割的，薄膜在基体上生长，彼此相互作用，薄膜的一面附着在基体上，并受到约束产生内应力。附着力和内应力是薄膜极为重要的固有特性[2,3]。

薄膜的制备方法有很多，其中实验室里最常用的方法有物理气相沉积法（PVD）和化学气相沉积法（CVD）。薄膜按照形成方法分为天然薄膜和人工合成薄膜；按照晶体结构可以分为单晶、多晶以及非晶薄膜[4]。另外，薄膜从用途上还可以分为光学薄膜、导电薄膜、以及耐磨防腐薄膜等等。不同用途的薄膜对自身的性能要求不统一，薄膜要达到使用需求，就需要对自身相应的性能进行表征。在机械工业中，薄膜主要用于改善工件的承载能力或者摩擦学性能。这些性能与薄膜的力学特性密切相关。例如增加工件的硬度就可以相应的增加其承载能力，在工件表面沉积一层减磨涂层可以显著改善其摩擦学性能等[5~12]。

薄膜力学性能表征方法有很多，但目前来说这些表征方法还存在一些问题。首先，对于有基体支撑的薄膜，其表征手段难以消除基体对薄膜性能的影响；无基体支撑的薄膜一是在制备上比较困难，二是其界面结合问题与实际情况也相差甚远，直接影响到薄膜的力学性能的测试[13~18]。其次，对于大块样品的力学性能检测手段不能直接用来测试接近二维结构的薄膜样品。本文主要介绍当下较为常用的几种薄膜力学性能检测手段。

二、薄膜硬度的测量

硬度的经典定义是材料抵抗另一种较硬材料压入产生永久压痕的能力。硬度从物理意义上讲是材料本质结合力的度量，它与材料抵抗弹性、塑性变形的能力、拉伸强度、疲劳强度、耐磨性以及残余应力等密切相关，是材料综合力学性能的反映[19,20]。目前薄膜硬度的测量方法主要有显微硬度和纳米压痕硬度两种。

1.薄膜显微硬度测量方法

显微硬度计是一种压入硬度，测量的仪器是显微硬度计，它实际上是一台设

有加负荷装置带有目镜测微器的显微镜。测试过程中要求试样表面光洁，粗糙度不能过大，压头在一定载荷下压入样品表面，保载一定时间后卸载，在样品表面产生永久压痕，通过显微镜上的测量装置测得压痕对角线长度，计算得出压痕表面积或投影面积，显微硬度值即为载荷与面积的比值[21-25]。

图1 维氏硬度与努氏硬度压头及压痕形貌示意图

显微硬度按照压头形状的不同又分为维氏显微硬度和努氏显微硬度。维氏压头是两相对面夹角为136°的金刚石正四棱锥体；努氏压头为长棱形金刚石压头，两长棱夹角为172. 5°，两短棱夹角为130°。维氏硬度等于载荷P与压痕表面积F之比，努氏硬度等于载荷P与压痕投影面积A之比，如公式1，2。

维氏硬度HV=P/F=1854.4P/D2 (kg/mm2) 公式1 D——维氏压痕对角线长度平均值

努氏硬度HK=P/A=14229P/L2 (kg/mm2 )

L——努氏硬度长对角线长度公式2 目前维氏硬度试验方法已经形成国家标准，即为标准硬度。当维氏硬度的值以kg/mm2为单位时，可以将单位省去，例如HV300，表示其显微硬度为300kg/mm2。努氏硬度试验方法暂时没有国家标准，但也是一种获得大家认可的硬度测量方式，相比于维氏四棱锥体压头压痕对角线长度D与压人深度h之比D/h=7，努氏压头压痕长对角线长度L与压人深度h之比为L/h =30 , 所以在载荷相同的情况下才，努氏硬度的压头压入深度更浅，更适于较薄的涂层硬度的测定[26~29]。在薄膜硬度的测试过程中，一般压痕深度为薄膜厚度的1/10到3/10时，我们才认为测得的硬度为薄膜的本征硬度[30,31]。但是显微硬度测试时一般会得到

微米级深度的压痕，深度大于薄膜的厚度，这样以来测得的硬度就不可避免的会受到基体的影响，为薄膜与基体的复合硬度[32-35]。所以显微硬度大多用来横向定性的对比几种薄膜的硬度大小，一般不认为它是薄膜的本征硬度。

另外，显微硬度的测试过程中，同一压痕，由于测试者的身体状态（如视力）或评定标准的不同，测得的显微硬度值也会有偏差，所以同一批作横向对比的样品最好由同一测试人员在一次实验中完成测试。为了减少测试误差对硬度评定的影响，在显微硬度测量时一般都需要用硬度标准块对测量值进行校正[36-38]。

2.纳米压痕硬度测试

纳米压痕硬度需要在纳米硬度计上测得，如图2，纳米压头在电磁力作用下以一定的速率压入试件表面，通过高精度力、位移传感器（分辨率高达10nN和0.1nm）测量并记录压入深度h和载荷P的关系，根据载荷-深度曲线及接触面积，通过相应的算法可得到材料的压痕硬度以及其它多种力学性能[39,40]。

图2 纳米压痕硬度计工作示意图

纳米压痕法最常用的的压头是尖三棱锥形金刚石玻氏（Berkovich）压头，得到加载-卸载曲线，如图3。玻氏压头每个面都是正三角形，三棱锥形状比四棱锥尖锐，更能反映材料的塑性性能。卸载曲线开始的部分为材料的弹性恢复阶段，形状接近于直线，h r为卸载曲线最大实验力时切线与深度坐标轴的交点[41-43]。

在采用纳米压入技术测量薄膜硬度时，硬度通常被定义为压头下方的平均应力，硬度数值H通过公式3计算：

压痕硬度H=P max/A 公式3

式中，H为硬度，A为压痕面积的投影，是压入接触深度hc的函数，不同形状压头的A的表达式不同。

图3 纳米压痕硬度标准压头以及测试曲线示意图

a.加载曲线

b.卸载曲线

c.曲线b在Fmax处切线

hp.卸载后残余压痕深度

当压头为维氏压头时，A=24.50×hc2

当压头为玻氏压头时，A=23.96×hc2

上式中hc为压头与试样接触深度，可由公式4计算：

公式4

公式4中，ε取决于压头的形状，玻氏和维氏压头均为3/4。hr的确定有两种方法，一是在实验力-压痕深度曲线上，卸载曲线切线与深度轴的交点即为hr，如图3。此法假设卸载曲线的初始阶段是线性的，较为简便常用。另一种方法称为幂指数法，事实上卸载曲线初始阶段是非线性的，采用简单的幂指数关系，如公式5：

公式5

公式5中K为常数，m为与压头几何形状有关的指数，hp为残余压痕深度[44]。根据卸载曲线不同，通常取卸载曲线的50%以上或80%以上部分，用最小二乘法拟合成幂指数函数。该函数在最大实验力时的切线和位移坐标轴的截距即为hr。纳米压痕法可以获得的其它材料力学性能参数

卸载刚度

刚度是材料抵抗弹性变形的能力，它的物理意义是引起材料单位形变所需要的载