顯微硬度計測試NiTi SMA薄膜與PZT基體結(jié)合力的分析

何烜坤,王金鋼

中國電子科技集團公司第四十六研究所質(zhì)檢中心，天津 300220

顯微硬度計測試NiTi SMA薄膜與PZT基體結(jié)合力的分析

何烜坤,王金鋼

中國電子科技集團公司第四十六研究所質(zhì)檢中心，天津 300220

通過磁控濺射在鋯鈦酸鉛陶瓷(PZT)基體表面沉積一定面積的NiTi SMA薄膜，用顯微硬度測試分析薄膜與PZT基體間的結(jié)合力.結(jié)果表明：隨沉積膜寬度增加，NiTi SMA薄膜與PZT基體的結(jié)合力減??；膜寬L<3mm的NiTi SMA薄膜，其膜基結(jié)合力最高達351 N/mm2，比膜寬L≥3mm的結(jié)合力高2倍多.

維氏硬度；NiTi SMA薄膜；PZT基體;結(jié)合力

陶瓷材料大部分是由離子鍵組成的晶體，在微觀結(jié)構(gòu)中包含著相當數(shù)量、大小各異的微觀缺陷.例如：在陶瓷的制備過程中，各種夾雜物、晶粒結(jié)構(gòu)均勻性以及氣孔等缺陷，都會在一定程度上影響材料的力學(xué)性能，導(dǎo)致其塑性、韌性比金屬材料低.鋯鈦酸鉛陶瓷(簡稱PZT)在室溫下拉伸或彎曲都呈現(xiàn)出一種脆性斷裂.在斷裂前，PZT的各類缺陷形成對應(yīng)的裂紋源，同時順著此細微裂縫持續(xù)延伸，在達到臨界點時，便會產(chǎn)生瞬時脆斷.但這個過程并不存在任何征兆，所以其斷裂通常屬于災(zāi)難性的，這也是PZT在工程實踐中最為關(guān)注的顯著缺陷.為達到PZT陶瓷增韌的效果，和韌性較好的金屬進行復(fù)合處理，成為目前研究的焦點.但并不是各種金屬都能夠和PZT進行復(fù)合，實際的復(fù)合狀況在相當程度上受限于金屬層與PZT之間的結(jié)合力，其實際數(shù)值越高，進行復(fù)合的幾率也就隨之提升.因此，對金屬材料與PZT基體之間結(jié)合力大小的測定分析直接影響了材料復(fù)合性[1].

1 試樣制備原理和方法

1．1 試樣制備及其原理

表1列出了通過磁控濺射制備的幾類較為常見的金屬材料薄膜電極與PZT的結(jié)合力[2-6].由表1可知，結(jié)合力依Ag，Cu，Ti，Ni由小到大.在具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷中，氧和晶胞之間的結(jié)合并不穩(wěn)定，氧很容易從晶胞中逸出[7].從熱力學(xué)角度分析，氧化鎳的自由能比氧化銅和氧化銀的自由能低[8]，所以與Ag和Cu相比，Ni更容易和陶瓷表層的氧結(jié)合，形成共價鍵.由表1可知， NiTi形狀記憶合金是一種可以與PZT復(fù)合的最理想的合金.

實驗中利用具有平行排列條形型腔通孔的模板將PZT基體緊緊包覆，模板的型孔部位暴露出PZT基體表面，通過調(diào)節(jié)孔寬與孔間距來達到控制薄膜沉積面積的目的，以便在后續(xù)磁控濺射的過程中在PZT上沉積出非連續(xù)的NiTi SMA薄膜.在靶材溫度較低的條件下濺射薄膜試樣，然后將試樣置于管式爐中，在氬氣保護下進行加熱，升溫至600 ℃，保溫30 min，再隨爐冷卻至室溫，所制備的試樣條寬為1，2，3，5 mm.

表1 不同金屬電極與陶瓷的結(jié)合力

Table 1 The bonding force between ceramics and various metal electrodes

金屬電極NiTiCuAg結(jié)合力/MPa3.42.72.42.1

1.2 測試方法

將制備好的試樣用壓痕法計算多種條寬NiTi SMA薄膜和基體的結(jié)合強度[9].利用數(shù)顯顯微硬度計，在一定范圍內(nèi)持續(xù)增加載荷，使壓頭在涂層表層出現(xiàn)壓痕.測試中加載依次為3 N和5 N，加載時間均保持10 s.在金相顯微鏡下觀察，隨載荷的增加，壓痕的直徑增長.當載荷超出臨界載荷時，壓痕周邊出現(xiàn)放射狀環(huán)形裂紋，且環(huán)形裂紋直徑隨著載荷的增加而增大.測試中記錄載荷、壓痕直徑、裂紋等信息，以判定薄膜與基體的實際結(jié)合力.

在載荷的垂直作用下，硬度計的金剛石壓頭壓

在NiTi薄膜表面，隨壓力的延續(xù)，壓頭進入基體.當壓力達到一定程度時，出現(xiàn)薄膜開裂以及脫落.測量壓痕的內(nèi)徑a以及薄膜脫落的外徑b.仔細觀察薄膜脫落的狀況，以判斷薄膜與基體的結(jié)合狀況.

2 試驗結(jié)果與討論

2．1 NiTi SMA薄膜的壓痕形貌

圖1為不同尺寸的薄膜試樣分別在加載為3 N和5 N時的壓痕形貌.對于條寬為1 mm和2 mm的試樣，當加載為3N時，壓痕不明顯.說明加載3 N時，薄膜不存在脫落的問題；當加載為5 N時，圖1 (a)與(b)顯示，出現(xiàn)明顯的壓痕，周邊存在由開裂造成的圓形脫落區(qū)域，說明薄膜已經(jīng)拱起，慢慢地與基體分離.對條寬3 mm的試樣，當加載荷3N時，圖1(c)顯示壓痕周邊存在不明顯的圓形脫落區(qū)；當載荷提高至5 N時，出現(xiàn)明顯的脫落.對條寬5 mm的試樣，當載荷3 N時，不存在脫落現(xiàn)象；當載荷提高至5 N時，圖1(d)顯示壓痕周邊存在明顯的脫落，薄膜拱起并逐漸與基體分離.

圖 1 不同尺寸下NiTi SMA薄膜表面的壓痕形貌(a)條寬1mm；(b)條寬2mm；(c)條寬3mm；(d)條寬5mmFig.1 Indentation morphology of the NiTi SMA films on different sizes

2.2 薄膜與PZT基體的結(jié)合力

利用膜基結(jié)合力的計算公式(1)～(3)，可計算出載荷為5 N、加載10 s時NiTi SMA薄膜與PZT基體的結(jié)合力，詳見表2.

τ=Gε0,

(1)

G=E/2(1+μ),

(2)

1/E=(1-μ1)/E1+(1-μ2)/E2.

(3)

式(1)～(3)中，E1為基體彈性模量；μ1為基體泊松比；E2為膜彈性模量；μ2為膜的泊松比；E為計算的復(fù)合材料的對應(yīng)楊氏模量；τ為薄膜與基體的結(jié)合力.

表2 薄膜試樣與PZT基體的結(jié)合力

用磁控濺射沉積薄膜后，再進行600 ℃晶化處理，這樣基體和薄膜間一定會存在一些成分擴散，所以NiTi SMA薄膜與PZT基體之間結(jié)合力的性質(zhì)受成膜條件影響[10].由表2和圖1可得出：隨沉積膜寬度的增加，NiTi SMA薄膜與PZT基體的結(jié)合力降低.當沉積膜寬度L<3 mm時，膜基結(jié)合力比膜寬L≥3 mm的膜基結(jié)合力高2倍多.這說明具備等軸晶結(jié)構(gòu)的NiTi SMA薄膜(膜寬<3 mm)和PZT基體之間的結(jié)合力，比柱狀晶結(jié)構(gòu)薄膜(膜寬≥3 mm)的結(jié)合力更理想.在薄膜的實際制備過程中，是在PZT基體表面大范圍連續(xù)沉積(膜寬≥3 mm，間距1 mm)NiTi SMA薄膜，這樣會出現(xiàn)成分不均以及局部缺陷等現(xiàn)象，使基體與薄膜的結(jié)合狀況受到影響.如果沉積較小面積的NiTi SMA薄膜(膜寬<3 mm ，間距1 mm)，則在一定程度上可降低膜基界面結(jié)合部位產(chǎn)生缺陷的概率.此類局限沉積有助于薄膜沿著三維方向結(jié)晶，提高材料的力學(xué)結(jié)合性能.

3 結(jié) 論

在PZT基體表面濺射沉積一定面積的NiTi SMA薄膜，隨沉積膜寬度的增加，膜基結(jié)合力減小.膜寬L<3 mm的NiTi SMA薄膜，其膜基結(jié)合力最高達351 N/mm2，比膜寬L≥3mm的膜基結(jié)合力高2倍多.

[1] 束德林.工程材料力學(xué)性能[M].北京:機械工業(yè)出版社，2003.

[2] 張旭,謝錫善,董建新,等.Ni2Cr2Mo2Nb合金的陰極濺射行為[J].中國有色金屬學(xué)報,2001,11(2):179-182.

[3] BAUMGARTNER C R.Adhesion of electrolessly deposited nickel on lead zirconate titanate ceramic[J].J Am Ceram Soc,2005,72(6):890-895.

[4] SWIRBEL T.Zero defect sputter deposition metalliz-ation method for high volume manufacturing of grafted multi layer thin film: modules，components，hybrids，and manufacturing technology [J].IEEE Transactions on，1993，16(1):1-5.

[5] 魯燕萍,高隴橋.AlN陶瓷的薄膜金屬化及其與金屬的焊接研究[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報,2001,20(3):190-193.

[6] YIN Shuijia.Handbook of Physical Chemical[M]. Beijing:High Education Press，2000.62-78.

[7] 康晉鋒,陳新,王佑祥.正常態(tài)金屬與氧化物高溫超導(dǎo)薄膜界面擴散特性的研究[J].物理學(xué)報,1995,44(11):1831-1838.

[8] 陳燕俊,孟亮，周世平，等.不同溫度下Ag/ Cu 復(fù)合界面的擴散處理[J].材料科學(xué)與工程,2001,19(1):56-59.

[9] 賈俊輝,戚震中.表面膜附著力的壓痕法測定[J].機械工程材料,1988(6):31-33.

[10] 韋習(xí)成,李健,袁成清.磁控濺射TiN界面結(jié)合強度的壓痕法測試[J].摩擦學(xué)學(xué)報，2000，20(3):229-231.

The analysis of microhardness testing of bonding force of NiTi SMA thin films and PZT substrate

HE Xuankun，WANG Jingang

CenterofMaterialCharacterizationofNo.46researchinstituteofChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation，Tianjin300220，China

The NiTi SMA thin films were deposited on the surface of lead zirconate titanate ceramics (PZT) by magnetron sputtering, and the bonding properties between the films and PZT were analyzed by microhardness test. The results show that the bonding force of NiTi SMA film to PZT matrix is decreased with the increase of the width of the deposited film. The NiTi SMA film with film width L<3 mm has a film-bound capacity of 351 N/mm2, which is 2 times higher than film width L≥3 mm.

microhardness；NiTi SMA thin film；PZT substrate；bonding force

2017-06-12

何烜坤(1984-),女，內(nèi)蒙古包頭人，工程師，碩士研究生.

1673-9981(2017)02-0132-04

TB333

A