壓頭曲率半徑對硬質(zhì)薄膜結(jié)合力劃痕測量影響的比較研究

于 杰, 陶興付, 秦 林, 李曉兵

(1. 太原理工大學(xué) 表面工程研究所, 山西 太原 030024;2. 中國計量科學(xué)研究院, 北京 100029)

1 引 言

劃痕測量法是一種用于測定薄膜的附著力和摩擦性能的快速有效的方法[1]。在眾多界面結(jié)合強(qiáng)度測量方法中,劃痕法作為一種半定量的測量方法,由于其操作簡單、重復(fù)性好、材料適用范圍廣等特點而被廣泛采用[2～4]。劃痕法主要通過壓頭在法向和切向上載荷和位移的連續(xù)變化過程,研究材料的摩擦磨損、塑性變形、斷裂破壞等性能[5]。Heaven用劃痕法對膜/基結(jié)合力進(jìn)行了測量,并取得了不錯的效果[6];文獻(xiàn)[7～10]對TiN、TiO2、Ag-Cu/Ti、類金剛石等材料都做了深入的研究,通過分析劃痕形貌、聲發(fā)射信號和摩擦性能,判斷復(fù)合材料的結(jié)合力。

近年來,由于低摩擦、高耐磨等性能,類金剛石薄膜受到研究人員的廣泛關(guān)注。本文分別采用20 μm,50 μm和100 μm 3種曲率半徑的壓頭,對2種基底材料的類金剛石(diamond-like carbon,DLC)薄膜進(jìn)行了劃痕測量,對測量結(jié)果進(jìn)行分析研究。

2 劃痕和臨界載荷

在評估劃痕和臨界載荷的方法中,對劃痕的顯微鏡觀察能可靠地區(qū)分出不同的失效模式,從而將Lc值歸因于特定的失效模式。Sharma N等在壓頭刻劃膜/基界面結(jié)合體系時,將薄膜出現(xiàn)的界面失效對應(yīng)的載荷叫臨界載荷Lc[11]。如圖1所示,在劃痕測量中,當(dāng)增加法向力時會觀察到有許多連續(xù)的薄膜失效事件。圖1中，Lc1表示剛開始在劃痕邊緣處,出現(xiàn)傾斜的裂紋;Lc2表示裂紋擴(kuò)展過程中薄膜首次剝落,呈現(xiàn)出部分基底材料;Lc3代表薄膜開始全部剝落,完全表現(xiàn)為基底材料的形貌特征,且局部被少部分薄膜的剝落碎屑覆蓋[12,13]。

圖1 典型劃痕測量形貌示意圖Fig.1 Schematic diagram of typical scratch measurement

對于膜/基材料來說,在劃痕測量中,臨界載荷的確定受到很多因素的影響,比如薄膜和基底材料的特性參數(shù)、壓頭的曲率半徑、載荷的加載速度、劃動速度、薄膜的厚度等[14]。其中壓頭曲率半徑的選擇非常重要。劃痕壓頭對于薄膜表面的劃痕行為可以用赫茲(Hertz)接觸理論模型[15,16]進(jìn)行分析,在球形與平面接觸中,對于特定載荷,球形的曲率半徑?jīng)Q定了下方的應(yīng)力分布區(qū)域。壓頭的曲率半徑越大,最大應(yīng)力點對于表面的深度越大。

半球形壓頭與平樣品接觸近似為圖2所示的赫茲接觸模型。

圖2 赫茲接觸簡圖Fig.2 Hertz contact diagram

圖2中ht為最大壓入深度,hp為接觸深度,he為回彈深度,a為接觸半徑,R為壓頭的曲率半徑。赫茲理論假設(shè)物體是均勻、連續(xù)、各向同性的,應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系只取決于物體的物理性質(zhì)。在滿足接觸區(qū)變形小、接觸面為橢圓面、相接觸物體可看作彈性半空間時,即可用赫茲模型來分析。當(dāng)只考慮z方向的變形時,可用以分析最大應(yīng)力位置。

(1)

(2)

式中:E*為被測材料的折合模量;ν1、E1分別為壓頭的泊松比和彈性模量;ν2、E2分別為被測材料的泊松比和彈性模量；a為接觸半徑;FN為正壓力;R為壓頭的曲率半徑。劃痕測量過程中,金剛石壓頭ν1=0.07,E1=1 141 GPa。

根據(jù)球/平面接觸彈性應(yīng)力場模型[17],如圖3所示,z/a=0.5處在此時的Von Mises應(yīng)力中心處,即最大應(yīng)力點位置在0.5a處附近。當(dāng)壓頭材料和樣品材料確定時,同一正壓力下,壓頭下方的應(yīng)力分布及最大應(yīng)力點位置取決于壓頭的曲率半徑,壓頭曲率半徑越大,最大應(yīng)力點的位置越深。

圖3 劃入深度-應(yīng)力分布圖Fig.3 Penetration depth-stress map

3 劃痕實驗

DLC薄膜是采用線性離子束混合磁控濺射沉積法制備的。首先對Si基底和304不銹鋼進(jìn)行了超聲清洗和Ar離子清洗,之后在基底上沉積了一層200 nm的Ti膜,作為應(yīng)力緩沖層,在Ti膜上通過控制時間沉積厚度分別為500 nm和800 nm的DLC薄膜A和B。

試驗所用設(shè)備是安東帕公司MCT微米劃痕試驗機(jī),其法向最大加載力為30 N,載荷分辨率為10 μN(yùn),加載速率0～300 N/min,深度范圍1 000 μm,深度分辨率為0.05 nm,劃痕速率0.1～600 mm/min。劃痕測試有2種加載方式,一種是恒定載荷[18,19],一種是斜坡加載[9,20]。本文實驗采用斜坡加載方式。

試驗所用3個壓頭的標(biāo)稱曲率半徑分別為: 20 μm、 50 μm、100 μm。劃痕長度1 mm,劃痕速度2 mm/min,重復(fù)5次測量統(tǒng)計數(shù)據(jù)。3種型號壓頭下對2種薄膜劃痕測量的法向加載范圍見表1所示。實驗在千級潔凈室中進(jìn)行,實驗溫度為20 ℃±0.5 ℃,相對濕度為50%。

表1 3種曲率半徑壓頭下2種薄膜的劃痕載荷范圍Tab.1 Scratch load range of two films under three curvature radius indenters

4 討論與分析

4.1 樣品A的劃痕測試結(jié)果與分析

圖4分別是壓頭曲率半徑20 μm、50 μm、100 μm對薄膜A劃痕測量的形貌圖,包括Lc1、Lc2、Lc3對應(yīng)的局部形貌放大圖和劃痕的完整形貌圖,局部形貌展現(xiàn)出在臨界載荷處的裂紋和剝落情況,完整形貌可以看出劃痕過程中樣品失效的過程。

圖4 薄膜A在20倍物鏡下的放大圖及劃痕形貌圖Fig.4 Magnified view and scratch topography of the A sample 20 times

由圖4可以看出:

1) 曲率半徑為20 μm壓頭的劃痕測量。開始階段在Lc1處薄膜表面較淺處開始出現(xiàn)少量微小裂紋,當(dāng)載荷持續(xù)增加到Lc2,薄膜表面的裂紋數(shù)量也逐漸增大并擴(kuò)展,形成共形裂紋,出現(xiàn)了內(nèi)部和邊界處的薄膜部分剝落失效,當(dāng)劃痕進(jìn)入最后階段Lc3處時,直到薄膜完全破裂呈現(xiàn)出基底的形貌[12,21]。

2) 曲率半徑為50 μm壓頭的劃痕測量。初始階段在Lc1處,劃痕的內(nèi)部和兩測出現(xiàn)了相當(dāng)數(shù)量的弧狀的裂紋,當(dāng)載荷變大后至Lc2處時,產(chǎn)生明顯的拉伸裂紋并逐漸延伸擴(kuò)展至較大范圍,在劃痕的最后階段至Lc3處時,拉伸裂紋變?yōu)榄h(huán)形裂紋,并且開始大面積剝落[12]。

3) 曲率半徑為100 μm壓頭的劃痕測量。劃痕初始階段Lc1處薄膜表面有小碎片剝落,伴隨拉伸裂紋的出現(xiàn),拉伸裂紋不斷擴(kuò)展,部分裂紋沿邊界擴(kuò)展了較大的范圍;隨著載荷變大至到Lc2處時,薄膜開始剝落,在劃痕的最后階段,出現(xiàn)了環(huán)形裂紋,涂層大面積剝落,呈現(xiàn)出基底形貌[21,22]。

從薄膜表面劃痕形貌來看,3組劃痕測量,隨著壓頭曲率半徑的增大薄膜剝落的面積和區(qū)域也越來越大。當(dāng)壓頭曲率半徑為50 μm和100 μm時,壓頭下方形成了較大的壓力區(qū)域,因而在壓頭與薄膜接觸區(qū)域及周邊較大范圍內(nèi),出現(xiàn)裂紋的擴(kuò)裂及薄膜脫落。隨著壓頭曲率半徑變大,壓頭與薄膜表面的接觸面積變大。壓頭劃過薄膜,從裂紋的產(chǎn)生,擴(kuò)展到最后的薄膜剝落都清楚地反應(yīng)在劃痕形貌當(dāng)中。并且可以觀察到隨著力值變大,裂紋擴(kuò)展和剝落的影響區(qū)域會到達(dá)劃痕之外的較大范圍。

用20 μm、50 μm、100 μm曲率半徑的壓頭進(jìn)行5次有效測量,測量的臨界載荷結(jié)果如表2所示。從表2可以看出:臨界載荷隨著壓頭曲率半徑的增大而增大。

表2 不同曲率半徑壓頭下的A樣品劃痕測量結(jié)果Tab.2 Scratch measurement results of A sample under different curvature radius indenters

圖5中給出了3種曲率半徑的壓頭對A類薄膜劃痕過程中劃入深度以及壓頭下方最大應(yīng)力點隨正壓力的變化曲線。圖5中標(biāo)出了3個臨界載荷對應(yīng)的劃入深度和最大應(yīng)力點位置,最大應(yīng)力點坐標(biāo)由式(1)和式(2)計算得到。圖5中Pd為劃入深度,Fn為法向力。

圖5 3種曲率半徑壓頭對A樣品劃痕測量的的加載力-劃入深度-最大應(yīng)力點曲線Fig.5 Loading force-penetration depth-maximum stress point curve of three kinds of curvature radius indenters on A sample scratch measurement

從圖5中看出：隨著壓頭曲率半徑從20 μm增加到100 μm,Lc1從0.54 N增加到3.24 N,裂紋出現(xiàn)時表現(xiàn)的也越來越明顯,壓頭曲率半徑變大,臨界載荷也隨著增大；同一壓頭曲率半徑下,最大應(yīng)力點的位置隨著加載力的增加而下移,同一加載力下,壓頭曲率半徑越大的,最大應(yīng)力點的位置也越深；當(dāng)壓頭曲率半徑較小時,在較小的深度變化范圍內(nèi),3個臨界載荷遞增和變化連續(xù)平緩；隨著壓頭曲率半徑從20 μm增加到100 μm,Lc1到Lc3的劃入深度間距由0.53 μm增加到4.24 μm。

3.2 樣品B的劃痕測試結(jié)果與分析

圖6為壓頭曲率半徑20 μm、50 μm、100 μm作用于薄膜B的形貌圖,包括Lc1、Lc2、Lc3對應(yīng)的局部形貌和劃痕的完整形貌圖。局部形貌展現(xiàn)出在臨界載荷處的裂紋和剝落情況,完整形貌可以看出劃痕過程中樣品失效的過程:

1) 曲率半徑為20 μm壓頭的對薄膜B劃痕測量。開始階段至Lc1處時,薄膜表面劃痕兩側(cè)邊界處出現(xiàn)少量斜向裂紋,并且明顯看到劃入的深度較大。隨著載荷的增加至Lc2處時,由裂紋引發(fā)劃痕邊界位置處涂層的剝落,直至載荷增大至Lc3處時涂層被壓成小的碎片而黏附在銀白色的金屬基底上。

2) 曲率半徑為50 μm壓頭的對薄膜B劃痕測量。開始階段至Lc1處時,薄膜表面劃痕兩側(cè)處產(chǎn)生明顯斜向裂紋,隨著載荷增大至Lc2處時,劃痕兩側(cè)處斜向?qū)ΨQ擴(kuò)展的裂紋分布趨于密集分布,隨載荷增大至Lc3處時,劃痕內(nèi)的薄膜由于裂紋的大量產(chǎn)生而呈現(xiàn)碎片化形態(tài)薄膜,小部分薄膜脫落,大部分仍以碎片化的形態(tài)粘附在在基底上。

3) 曲率半徑為100 μm壓頭的對薄膜B劃痕測量。開始階段至Lc1處時,薄膜表面出現(xiàn)較為明顯的斜向裂紋,隨載荷增大至Lc2處,劃痕內(nèi)部裂紋密集分布并部分脫落,在劃痕的最后階段,當(dāng)載荷增大至Lc3處時,大部分區(qū)域薄膜呈小碎片化分布,部分區(qū)域出現(xiàn)薄膜剝落。

圖6 薄膜B在20倍物鏡下的放大圖及劃痕形貌圖Fig.6 Magnified view and scratch topography of B sample under 20 times of objective lens

薄膜剝落的臨界載荷Lc3隨壓頭曲率半徑的增大而增大,薄膜在失效過程中總是先出現(xiàn)薄膜裂紋然后是薄膜破碎和剝落,而且壓頭曲率半徑越大前期裂紋出現(xiàn)越明顯和密集。3個不同曲率半徑的壓頭作用于膜/基界面結(jié)合體系都沒有出現(xiàn)薄膜大面積的剝落。裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展均主要位于劃痕的內(nèi)部區(qū)域,沒有向外部區(qū)域大范圍擴(kuò)展,薄膜的剝落也主要發(fā)生在劃痕內(nèi)部。

用3種曲率半徑的壓頭分別進(jìn)行5次有效測量,其劃痕臨界載荷值測試數(shù)據(jù)如表3所示。從表3看到,隨著壓頭曲率半徑的增大,臨界載荷隨之增大。隨著壓頭曲率半徑從20 μm增加到100 μm,Lc1從0.17 N增加到0.65 N,裂紋出現(xiàn)時表現(xiàn)的也越來越明顯,壓頭曲率半徑變大,臨界載荷也隨著增大。

表3 不同曲率半徑壓頭下的B樣品劃痕測量結(jié)果Tab.3 Scratch measurement results of B samples under different curvature radius indenters

圖7給出了3種曲率半徑的壓頭對B類薄膜劃痕過程中劃入深度以及壓頭下方最大應(yīng)力點隨正壓力的變化曲線,并標(biāo)識出了3個臨界載荷對應(yīng)的劃入深度和最大應(yīng)力點位置。隨著壓頭曲率半徑從 20 μm 增加到100 μm,Lc1到Lc3的劃入深度間距由1.86 μm增加到9.05 μm。同一壓頭,施加給樣品的載荷越大,最大應(yīng)力點的位置下移;不同曲率半徑的壓頭,施加同樣的力,半徑越大,最大應(yīng)力點的位置越深。

圖7 3種曲率半徑壓頭對B樣品劃痕測量的加載力-劃入深度-最大應(yīng)力點曲線Fig.7 Loading force-penetration depth-maximum stress point curve of three kinds of curvature radius indenters on B sample scratch measurement

由圖7可見:304基底DLC薄膜和Si基底DLC薄膜的劃痕過程中,有部分相似的特征,例如相同載荷,隨著曲率半徑增大,最大應(yīng)力點下移,半徑越大,Lc1越大;同樣Si基底DLC薄膜和304基底DLC薄膜也有很多不同之處。

304/DLC薄膜從裂紋的產(chǎn)生,擴(kuò)展,剝落都會在劃痕內(nèi)部進(jìn)行,很少擴(kuò)展到劃痕的邊界以外,但是Si/DLC薄膜失效過程,不僅會在內(nèi)部進(jìn)行,還會擴(kuò)展到劃痕以外的較大區(qū)域。相比Si基底,304基底較軟,塑性變形能力較好,在法向載荷下,基底較容易發(fā)生塑性變形,抵消了法向載荷下壓頭的應(yīng)力,因此在劃痕過程中,薄膜的裂紋及剝落失效主要發(fā)生在劃痕內(nèi)部區(qū)域。而對于Si基底,由于其硬度加大,塑性變形能力較差,在法向載荷下較難發(fā)生塑性變形,因此,在劃痕過程中,在壓頭下方的應(yīng)力區(qū)域的作用下,發(fā)生了較大范圍的裂紋擴(kuò)展和脫落。在臨界載荷的判斷上,相較于304基底,Si基底的DLC薄膜由于發(fā)生了明顯的脫落,臨界載荷更容易判定。

劃痕過程中的壓頭選擇,也會很大程度上影響劃痕的測量結(jié)果。采用較小曲率半徑的壓頭時,壓頭下方的最大應(yīng)力區(qū)域的位置較淺,更為靠近薄膜和基底的界面,因此在較小的載荷下薄膜的表面即會出現(xiàn)裂紋并進(jìn)而脫落,而這種接觸和可能與實際的工況并不相同,因此,采用較小曲率半徑的壓頭可能會低估薄膜與基底的結(jié)合強(qiáng)度。隨著曲率半徑的增加,劃痕過程中,壓頭下方最大應(yīng)力區(qū)域位置會變深,距離薄膜和基底界面的位置相應(yīng)較遠(yuǎn),因此同樣的薄膜,此時的臨界載荷會變大。而隨著壓頭半徑的進(jìn)一步增加,法向載荷下形成了更大范圍的應(yīng)力區(qū)域,最大應(yīng)力點的位置也進(jìn)一步下移,距離薄膜和基底的界面位置更遠(yuǎn),臨界載荷也相應(yīng)的進(jìn)一步增加,而此時由于施加的法向載荷較大,因此可能會在導(dǎo)致薄膜的實效行為變得更為劇烈,給Lc2和Lc3的判定帶來了困難。因此選擇合適半徑的壓頭進(jìn)行劃痕測量也是十分關(guān)鍵的。此外也要壓頭的選擇也要結(jié)合薄膜和厚度和結(jié)合具體的膜/基材料。從A材料和B材料的劃痕結(jié)果看,對Si基的500 nm DLC薄膜,50 μm的壓頭更為適用;而對于304基底的800 nm DLC薄膜,100 μm的壓頭更利于3個臨界載荷的區(qū)分。

5 結(jié) 論

本文研究了采用劃痕法測試硬質(zhì)薄膜的結(jié)合力測量時,影響到臨界載荷Lc的判定的因素:1) 劃痕測量時,隨著壓頭曲率半徑的增加,薄膜失效的臨界載荷也在增大。2) 壓頭曲率半徑較小時薄膜的失效的形貌是不明顯的;壓頭曲率半徑較大時,失效形貌較為明顯,有明顯的剝落形貌存在。3) Si基底和304鋼基底的DLC薄膜在3種不同曲率半徑的壓頭下呈現(xiàn)的失效形式有明顯的區(qū)別,前者主要以薄膜的裂紋擴(kuò)展和脫落為主,較為劇烈,范圍較大;后者以薄膜斷裂和基底的法向塑性變形為主,區(qū)域主要在劃痕范圍內(nèi)。4) 不同曲率半徑的壓頭對劃痕的測量結(jié)果影響較大,因此要結(jié)合薄膜厚度及基底材料類型等參數(shù)選取合適曲率半徑的壓頭。