（机械电子工程专业论文）基于铬配对金属薄膜的界面力学性能测试及其数值模拟.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 伴随着当今社会的快速发展，电气、电子装置等设备正逐步向着高性能、多 功能、高速度方向发展，同时信息处理能力速度也在急速提高，这些必然要求系 统向着大规模、大容量以及大型化方向发展。与此相对，在微机电系统中，却要 求构成系统的装置、零部件、材料等具备轻、薄、短、小等方面的特点。金属纳 米薄膜材料及其相关工艺便在这些需求下得到了飞速的发展，其中双层纳米金属 薄膜由于在结构上与单层膜具有较大的差异，具备单层膜难以达到的一些性能， 如提高硬度和摩擦磨损性能，改善涂层的韧性、抗裂纹扩展能力和热稳定性等， 这些使得人们越来越关注其在纳米尺度下结构及其力学性能的研究。 本文利用磁控溅射方法制备了c u c r 、c r 儿毗、w 肥r 、鹏四组基于c r 膜 配对的金属双层纳米薄膜，并对其进行了微结构以及力学性能测试的研究；在 c w 越金属双层纳米薄膜压痕实验的基础上，应用有限元分析的方法对其进行了 仿真研究。主要研究工作如下： 1 利用纳米压痕实验测试研究了c u c r 、c r 脚、w c r 、舢c r 四组金属双层纳米 薄膜，得出了四组双层膜的弹性模量值和硬度值，并且根据弹性模量和硬度随 着压深的不同而呈现出的变化趋势，研究了双层膜中膜一膜界面、膜一基界面的 结构；并且对比了热循环载荷前后c u c r 、舢c r 两组金属双层纳米薄膜的压 痕测试结果，研究了热循环载荷对于双层膜力学性能的影响，发现对于啪 双层膜而言，经过热循环载荷后的弹性模量值和硬度值均高于热循环前。但是 对于m c r 双层膜而言，却相反，即热循环载荷后的弹性模量值和硬度值均低 于热循环前。 2 利用纳米划痕实验测试研究了w c r 、c m u 两组金属双层纳米薄膜，近似得出 了双层膜中膜一膜界面、膜一基界面的界面结合力。并且对比了热循环载荷前后 的划痕测试结果，分析了热循环载荷对双层膜中界面结合力的影响，发现热循 环载荷降低了w c r 双层膜中膜一膜界面以及膜一基界面处的结合力：但是热循 环载荷却能够提高c r 灿双层膜中膜一基界面处的结合力，从而使得c r 脚双层 江苏大学硕士学位论文 膜中各组成膜间能够形成良好的界面结构。 3 利用有限元仿真的方法，在删金属双层纳米薄膜纳米压痕实验的基础上， 对其进行数值模拟，发现最大应力集中在压头附近，并且应力主要集中在双层 膜膜层内部，双层膜对衬底具有一定的保护作用；并且得出了双层膜中界面处 和膜的表面处y 方向的应力随着x 方向增加而减小，压头正下方y 方向的应 力随着y 方向的增加而出现先缓慢增加后线性减小的趋势。 关键词：金属双层纳米薄膜，力学性能，纳米压痕，纳米划痕，有限元仿真 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n ds o c i e t yi nt h ew o r l d ，t h ee l e c t r i c a l a n de l e c t r o n i cd e v i c e sd e v e l o pt oah i g h e rp e r f o r m a n c e ，m u l t i - f u n c t i o n ，h i g h e rs p e e d a n dt h ei n f o r m a t i o np r o c e s s i n ga b i l i t yi si m p r o v e dq u i c k l y a l lo ft h e s em u s tc o n t i n u e t h ee q u i p m e n ts y s t e mt o w a r d sl a r g e s c a l e ，l a r g ec a p a c i t ya n dm a x i m i z a t i o nd i r e c t i o n s b u t ，o nt h eo t h e rh a n d , t h eu n i t s ，p a r t sa n dt h em a t e r i a l so ft h es y s t e mm u s tb e d e s i g n e dt ol i 曲tw e i g h t ，t h i ns t r u c t u r e ，s h o r tc a l c u l a t i n gp e r i o d ，s m a l lv o l u m ea n d m a n yo t h e rc h a r a c t e r i s t i c s t om e e tt h e s er e q u i r e m e n t s ，t h em a t e r i a l sa n dp r o c e s so f m e t a ln a n o m e t e rf i l m sd e v e l o pq u i c k l y a m o n gt h e m ，t h eb i l a y e rf i l m sw h i c h s t r u c t u r ei sd i f f e r e n tf r o mt h es i n g l ef i l mh a v em a n yn i c ep r o p e r t i e s t h e r ea l eh i g h e r h a r d n e s s ，f r i c t i o na n dw e a l p r o p e r t i e si nt h eb i l a y e rf i l m s a n de v e l ll l l o r e ，t h e yc a l l i m p r o v et h et o u g h n e s s ，r e s i s t a n c et o c r a c ke x t e n s i o na n dt h e r m a ls t a b i l i t yo ft h e c o a t i n g s o ，m o r ea n dm o l er e s e a r c h e r ss t u d yo ft h es t r u c t u r e a n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h eb i l a y e rf i l m sa tt h en a n o m e t e rs c a l e i nt h i sp a p e r , c u c rb i l a y e rf i l m s ，c r a ib i l a y e rf i l m s ，w c rb i l a y e rf i l m sa n d a i c rb i l a y e rf i l m s 剐ep r e p a r e db yu s i n gt h em a g n e t r o ns p u t t e r i n g a n dt h e i r m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 御ea l s os t u d i e d b a s e d0 1 3t h el l l l l l o i n d e n t e r e x p e r i m e n to fc r a 1b i l a y e rf i l m s ，t h ef m i t ee l e m e n ta n a l y s i si su s e dt os i m u l a t et h e e x p e r i m e n t t o t a l l y , t h ef o l l o w i n gp a r t sa r ei n v e s t i g a t e d ： 1 c u c rb i l a y e rf i l m s ，c r a ib i l a y e rf i l m s ，w c rb i l a y e rf l l l r l l $ a n da i c rb i l a y e rf i l m s a l es t u d i e di nt h el l a n o - i n d e n t e re x p e r i m e n t t h e i re l a s t i cm o d u l u sv a l u ea n d h a r d n e s sv a l u ea l eo b t a i n e df r o mt h ee x p e r i m e n t t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ee l a s t i c m o d u l u sa n dh a r d n e s so ft h eb i l a y e rf i l m sv a r y 、丽t l lt h ei n d e n td e p t hi na c c o r d a n c e t oac e r t a i nr u l e t h es t r u c t u r eo ft h ei n t e r f a c ei nt h ef i l m sa n db e t w e e nt h ef i l m s a n dt h es u b s t r a t ea r cs t u d i e da c c o r d i n gt ot h er u l e e f f e c t so ft h et h e r m a lc y c l i n go n t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ec u c rb i l a y e rf i l m sa n dt h ea 1 c rb i l a y e rf i l m s 铷c l l i 江苏大学硕士学位论文 a l s os t u d i e d t ot h ec u c rb i l a y e rf i l m s ，t h ee l a s t i cm o d u l u sv a l u ea n dt h eh a r d n e s s v a l u ea r eh i g h e ra f t e rt h et h e r m a lc y c l i n g b u tt h ee f f e c ti so p p o s i t et ot h ea u c r b i l a y e rf i l m s 2 w c rb i l a y e rf i l m sa n dc r a 1b i l a y e r6 a l m sa r es t u d i e di nt h en a n o i n d e n t e r e x p e r i m e n t t h ei n t e f f a c i a lb i n d i n gf o r c e si nt h ef i l m sa n db e t w e e nt h ef i l m sa n d t h es u b s t r a t ea r eo b t a i n e d c o m p a r e dt ot h et e s tr e s u l t si nt h en a n o - s c r a t c hb e f o r e a n da f t e rt h et h e r m a lc y c l i n g ，t h ei n t e f f a c i a lb i n d i n gf o r c e si nw c rb i l a y e rf i l m s c a nb ed e c r e a s e d b u tt h ei n t e r f a c i a lb i n d i n gf o r c e si nc r a 1b i l a y e rf i l m sc a nb e i m p r o v e da f t e rt h et h e r m a lc y c l i n gw h i c hc a nf o r man i c ei n t e r f a c es t r u c t u r e b e t w e e ne a c hc o m p o s i t i o nf i l m 3 b a s e do nt h el l a n o i n d e n t e re x p e r i m e n to fc r a 1b i l a y e rf i l m s ，f e am e t h o di su s e d t os i m u l a t et h ee x p e r i m e n t i tc a nb ek n o w nt h a tt h em a x i m u ms t r e s si sm a i n l y c e n t r a l i z e dn e a r b yt h ei n d e n t e r a n dt h es t r e s si sm a i n l yc e n t r a l i z e di nt h eb i l a y e r f i l m sw h i c hw i l lp r o t e c tt h es u b s t r a t e f r o mt h es i m u l a t i o n ，t h es t r e s sv a l u ei nt h ey d i r e c t i o ni nt h ei n t e r f a c ea n do nt h es u r f a c eo ft h eb i l a y e rf i l m si sb e c o m i n gs m a l l e r w h e nt h ed i s t a n c ei nt h exd i r e c t i o ni sf a ra w a yf r o mt h ei n d e n t e r a n dt h es t r e s s v a l u ei nt h eyd i r e c t i o nb e l o wt h ei n d e n t e ri n c r e a s e ss l o w l ya tf i r s ta n dd e c r e a s e s l i n e a r l yl a t e rw h e nt h ed i s t a n c ei n t h ey d i r e c t i o ni n c r e a s e s k e yw o r d s ：m e t a ln a n o m e t e r b i l a y e rf i l m s ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，n a n o - i n d e n t e r ， l l a n o s c r a t c h ，f e a i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在 年解密后适用本授权书。 不保密团 学位论文作者签名：席奋 wj o 年汨1 日 指导教师签名： 钟年细1 日 怕 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：房奋 日期：阳蛑6 月 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 金属纳米薄膜因其具有良好的机械特性、电学特性和光学特性，而被广泛 的应用于机械元器件、电子元器件、光学器件等各种装置和设备中。随着国内外 对金属纳米薄膜的研究不断深入，一些结构新颖、性能独特的双层纳米薄膜不断 出现。双层金属纳米薄膜中膜一基界面以及膜膜界面间具有复杂的组织结构和力 学性能，与单层金属纳米薄膜相比具有许多特殊性能，对其力学性能的研究则是 薄膜结构开发研究的前提和基础。所以研究金属双层纳米薄膜的微结构和其力学 性能具有重要意义。 1 1金属薄膜研究的重要性 金属双层纳米薄膜的研究可追溯到上个世纪七十年代初，根据k o h l e r 1 】在纳 米多层增强和t s u 及e s a k i l 2 3 在超晶格两方面理论及实验研究的结果，揭示了纳 米多层结构造成的许多特异的性能，成为纳米科学技术的开端。至今人们已经发 现金属薄膜具有许多特殊的性能，如具有巨电导、巨磁电阻效应、巨霍尔效应、 可见光发射等，究其原因是金属纳米薄膜由大量的纳米金属颗粒组成，其微观结 构和性能既不同于单个纳米金属颗粒，也不同于纳米金属颗粒的性能叠加【够】。 当尺寸减小到纳米尺度时，由于表面效应、体积效应、经典尺寸效应、量子尺寸 效应【钢的影响，从而使得金属纳米薄膜表现出与宏观材料完全不同的特殊性能。 1 表面效应由于金属纳米薄膜厚度在纳米数量级，故位于表面的原子占有 相当大的比例。随着膜厚、粒径的减小，表面的原子数越来越多，即比表面积显 著增大，这大大增强了纳米粒子的活性。这种表面原子的活性不但引起纳米粒子 表面原子输运和结构的变化，还会引起表面电子自选构象和电子能谱的变化；同 时，膜一基界面、膜一膜界面所占有的体积百分数几乎与纳米颗粒所占的体积百分 数相差无几，因此双层金属纳米薄膜中的界面不能简单的看成是一种缺陷，它已 成为纳米固体基本构成之一。由于界面处极易产生结构畸变，从而使得薄膜产生 内应力，所以界面对整个薄膜性能的影响有着举足轻重的作用。 2 体积效应由于金属纳米薄膜中纳米粒子体积极小，所包含的原子数很 少，相应的质量极小。因此，许多现象就不能用宏观尺度下块状材料的性质加以 江苏大学硕士学位论文 说明，这样的特殊现象称之为体积效应。体积效应主要表现在两个方面：一是物 质体积的缩小虽不会引起物质物性基本参量的变化，但会使那些与体积有关的物 性发生变化，如磁体的磁畴变小，半导体中电子的自由路程变短等等；二是物质 一般具有由无限个原子组成的物质属性，而纳米粒子则表现出有限个原子集合体 的特性。如金属固体中的连续能带是由近于无限的电子能级组成，称为能带，但 在纳米粒子中电子的数量是有限的，因而能带是不连续的，这是造成电子的自旋 配置和光吸收等异常物性的原因。 3 量子尺寸效应当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子费米能级附 近电子能级由准连续变为离散能级；并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占 据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级，使得能隙变宽的现象，被称 为纳米材料的量子尺寸效应。量子尺寸效应会导致纳米微粒的宏观特性，如磁、 光、声、热、电、超导等有显著的改变，从而在微电子学和光学中一直占有显赫 的地位，根据这一效应已经设计出许多优越性的器件。 金属纳米薄膜由于存在上述效应的影响，从而被广泛的应用到微纳电子、 集成电路、光学、传感器、印刷电路板中，如显示元件、红外传感器、薄膜电容 器、薄膜电感等。尤其是在电子封装工程中可形成电路图形，为半导体元件、半 导体芯片、电阻、电容等电路搭载部件提供电极以及相互引线和金属化等，如常 用铝、铜及其合金薄膜制备集成电路的内连导线和地线，铬薄膜也因其具备较好 的抗腐蚀能力，较高的熔点、较低的摩擦系数等特点从而得到了广泛的应用【研。 1 2 金属薄膜力学性能测试及其国内外研究现状 目前，人们进行的大量理论和实验研究主要集中在金属薄膜的机械性能、电 学、磁学以及光学特性上，对其力学性能的测试研究则是研究薄膜的基础。双层 金属薄膜由于在结构上与单层膜具有较大的差异，使其具备单层膜难以达到的性 能，如双层膜不仅能够提高硬度和摩擦磨损性能，还能够改善涂层的韧性、抗裂 纹扩展能力和热稳定性等性能，故对金属双层纳米薄膜微结构以及力学性能的研 究具有重要的意义。目前国内外对于双层金属薄膜力学性能方面的研究主要是针 对膜与衬底间结合性能的研究，而对于膜一膜界面结构及其结合性能的研究则较 少。主要的研究手段是通过模拟、实验或者二者相结合的手段。模拟方面主要是 2 江苏大学硕士学位论丈 使用分子动力学、有限元等仿真方法；实验方面则主要是利用各种测试方法测试 其力学性能参数。本文作者所在的课题组已经在材料界面性能测试和计算机数值 模拟等方面进行了大量研刭9 。1 3 1 。由于金属薄膜处在纳米尺度，存在较强的尺寸 效应影响，薄膜自身的物理性质及其对环境变化的响应都有很大的改变，对其力 学性能的测试，如弹性模量、残余应力、断裂强度、疲劳强度等，受到装夹、对 准等限制，用传统的测试方法已经不再适用，故常使用纳米压痕和划痕设备对薄 膜样品进行力学性能测试。 1 2 1 纳米压痕测试 通过压头对材料表面加载，然后测出压痕区域，以此来评价材料机械性能这 项技术，我们称之为压痕技术。纳米压痕仪以其较高的载荷和位移分辨率( 分别 优于l n n 和0 0 0 0 2 n m ) ，对样品近似于无损检测等优点，故被广泛的用于金属薄 膜的力学性能测试，通过连续测定材料的压力一压深曲线，可以得到金属薄膜的 弹性模量、硬度、蠕变特性、疲劳特性和粘附等性能。虽然双层金属薄膜中膜与 膜间的界面层厚度在纳米数量级，但由于纳米压痕仪是通过极细的金刚石探针与 被测材料点接触，故可压入表层材料，穿过界面层，直至衬底，这就使得它研究 金属双层薄膜的界面结构及其性能成为可能。 纳米压痕测试技术的发展可以追溯到1 9 6 1 年，s t i u w e l l 和t a b o r 1 4 1 提出利用 压入的弹性恢复测定力学性能的方法。1 9 8 1 年，p e t h i c a ”】首次将这种技术应用 于粒子注入金属表面的力学性能测量中。1 9 9 2 年，w c o l i v e r 和g m p h a r r 1 6 1 通 过大量的实验数据，对前人的理论加以检验并进行了修正，提出了根据实验所测 得的压力一压深曲线，从卸载曲线的斜率计算出弹性模量值，并由最大加载载荷 和压痕的残余变形面积求出了硬度值，这一方法在压痕技术中具有主导地位，从 理论上完善了压痕实验测量金属薄膜的力学性能。随后，众多学者在微压痕硬度 实验过程中都重复的发现了强烈的压痕尺寸效应的影响，即随着压深的减小，压 痕硬度却显著的增大【1 7 - 2 0 l 。m b e nd a i a 等人【2 1 】利用纳米压痕实验测出a l a 1 2 0 3 纳米多层薄膜的硬度值在金属砧和陶瓷a 1 2 0 3 之间的某个值。m j c o r d i u 等人【捌 研究了浅压深下，在静态和动态加载两种情况下位错的漂移情形，并对其进行了 分析研究。国内，韦习成等人嘲在纳米压痕实验的基础上提出了测量t u n 涂层 3 江苏大学硕士学位论文 界面结合强度的弹塑性赫兹接触应力经验修正公式，并验证了界面结合强度压痕 法测试方法的可靠性，得出了随着基体表面粗糙度的提高，t i n 涂层基体的界 面结合强度明显提高。霍德鸿等人【刎对单晶铜薄膜试件进行压痕试验时，通过不 同压痕深度的比较发现了压痕深度对试件力学性能的影响关系，得出试件的硬度 值随着压深的减小而不断增大，表现出强烈的尺寸效应。张国祥等人瞄l 应用纳米 压入法对双铬层的界面表面进行压入实验，测得了描述界面软铬层力学性质的弹 性模量和压入弹、塑性功等参数。卢茜等人1 2 6 1 利用压痕法对c w t a s i 0 2 s i 多层 膜进行了微观结构的研究，研究表明，随着载荷的增大，硬性衬底对于体系硬度 与弹性模量的影响逐渐明显，并在大载荷下起主导作用，并且发现多层膜结构中 在1 v s i 0 2 界面处出现分层现象，压痕下方的衬底发生开裂。 1 2 2 纳米划痕测试 通过金刚石划头在材料表面上以一定速度滑动，在此过程中，作用在划头上 的垂直载荷不断增加，当垂直载荷达到其临界载荷时，材料与基体开始剥离，以 此来评价材料机械性能这项技术我们称之为纳米划痕技术。纳米划痕测试可以用 来分析金属薄膜的断裂起始失效机理、区分韧性和脆性断裂方式等，是评价薄膜 材料抗划入、摩擦、变形和附着力的主要方法。最主要的是通过纳米划痕测试， 可以得到薄膜的结合强度，包括膜与衬底的界面结合强度以及金属双层薄膜间膜 与膜的界面结合强度。薄膜划痕测试主要有两种检测模式：一种是声发射法，主 要用于较厚的硬质薄膜的检测，当划头将薄膜划破或剥落时会发出微弱的声信 号，此时载荷即为薄膜的临界载荷；另一种是切向力法，主要用于较薄的软薄膜 的测量，当划头将薄膜划破或脱落时，摩擦系数将发生较大变化，切向力由此发 生变化，此时的载荷即为薄膜的临界载荷。 纳米划痕测试是上个世纪3 0 年代发明的，最早的力学分析是b e n j a m i n 与 w e a v e r 2 7 】用全塑性压痕理论，给出了薄膜剥离的临界剪切力与划痕几何形状、 基体性能及摩擦力之间的关系。随后，众多研究人员将该方法用于测试类金刚石 薄膜的相关性能，使用划痕测试时的临界载荷来评估类金刚石薄膜与基体的粘结 强度1 2 8 , 2 9 j 。l i y eh u a n g 等人p q 对利用射频磁控溅射等离子体增强c v d 方法沉积 在t i 一6 a i 4 v 合金盘片上的类金刚石膜进行了纳米划痕实验，其中介绍了详细的 4 江苏大学硕士学位论文 实验步骤。w ut a n g 等人p l l 使用纳米划痕测试对a u n i c r 多层薄膜进行多层膜的 变形行为研究，研究表明划痕时，在膜失效前，相比较于弹性变形而言，塑性变 形占据主导地位。在国内，赵满洪p 2 】对硅基体上韧性铝膜的粘结强度及破坏机理 进行了划痕实验及理论研究，研究表明当划头尖端接近界面时，将突然发生薄膜 沿界面的脱胶现象，并在界面附近脆性基一侧形成界面裂纹并扩展，而且薄膜的 塑性变形对划痕过程有较强的抑制作用。华敏奇【3 3 l 利用纳米划痕技术在对多层膜 测试时发现了声发射异常现象，分析其原因主要是由于多层膜存在多层界面，而 且层与层之间的界面结合并非总是大于膜基界面。赵洪力等人【蚓在对含氧化铈薄 膜进行机械性能测定时，应用纳米划痕仪测试得出双层膜与基体的结合强度要比 单层膜与基体的结合强度大。张振宇【3 5 l 对薄膜材料的界面破坏准则进行了研究， 研究表明，划痕实验中，起裂位置由最大界面剪切应力决定，但起裂条件不仅与 界面剪应力有关，而且与起裂位置处的界面压应力有关，界面压应力越大，导致 界面起裂的界面剪应力也越大。杨杰等人【3 6 】研究了微米级硬膜软基系统的划痕测 试破坏形式，表明微米级厚层硬质膜的划痕试验呈现相同的规律，即划痕边缘在 全过程中出现破裂和脱落，划痕中部先出现膜层弯折破裂，继而出现薄膜部分脱 离基体，最后完全脱离基体。 1 2 3 数值模拟 单纯的实验手段并不能完全满足对金属薄膜力学性能的研究需要，因此许多 学者都利用计算机仿真手段来模拟纳米压痕和纳米划痕测试。数值模拟是借助于 强大的数学工具和计算机科学技术的普及与发展而发展起来的。目前，使用最为 广泛的对纳米压痕和纳米划痕测试进行数值模拟的方法有三种：1 ) 从微观的角 度进行模拟仿真，主要的方法是采用分子动力学方法( m d ，m o l e c u l a rd y n a m i c s ) ； 2 ) 从宏观的角度进行模拟仿真，主要的方法是采用有限元方法( f e a , f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ) ：3 ) 多尺度研究方法，采用分子动力学和有限元相结合的方 法，该方法尤其适用于处理多层膜中界面问题。有限元分析的方法起源于上世纪 5 0 年代末期。目前发展起来的有限元程序中，既有较大规模的有限元分析系统， 也有众多规模较小，但使用方便、日趋成熟的有限元分析软件，如a n s y s 、 a b a q u s 、n a s t r a n 、a d i n a 、n t a r c 、c o s m o s 等。 5 江苏大学硕士学位论文 近些年来，国内外学者采用有限元方法对纳米压痕实验进行仿真取得了不少 的成果。h a w kja 等人【3 7 1 利用有限元描述了压痕法中不同材料在载荷作用下压 痕参数的变化，通过压痕参数了解材料硬度与其屈服应力、强度极限之间的关系。 h e r n o t 3 s l 等人采用数值模拟方法可以较精确地确定大部分金属材料由球形压头 产生的塑性区周围压入深度与接触半径之间的关系，并可以判断何时出现凸起 或凹陷。h u a n g 等人1 3 9 利用几何所需位错密度理论与有限元软件相结合分析了压 痕尺寸效应对纳米压痕实验的影响，结果表明纳米硬度与压痕深度有着密切的关 系。国内，刘扬【柏】应用有限元方法模拟了纳米压痕过程，通过比较有限元计算所 得的压力一压深曲线和实际纳米压痕试验得到的曲线，反复修正从而得出材料的 塑性性能，并验证了有限元模型的正确性和材料模拟的正确性。李敏等人【4 1 l 采用 有限元方法模拟了纳米压痕实验的加、卸载过程，研究了压头曲率半径对纳米压 痕实验数据的影响。王灿等人【4 2 】对含有界面裂纹的薄膜进行了有限元分析，计算 分析了裂纹在不同基底t i n 薄膜中的影响和裂纹位置不同对t 烈a u h s s 双层膜 的影响，以及裂纹长短不同对t i n h s s 双层膜的影响，表明薄膜应力与裂纹的 存在因素有关。任德斌等人【4 3 】对s i 基体铜薄膜在圆柱压头压入过程中的力学行 为进行了有限元模拟，得出了基体的弹性模量和金属薄膜弹性模量之间的关系曲 线。 1 3 本论文主要研究内容以及目的意义 本文通过实验与有限元相结合的手段对金属双层纳米薄膜的力学性能进行 了研究。实验方面，使用纳米压痕仪和纳米划痕仪对样品进行力学性能参数的测 试；并且通过样品热循环前后测试结果的对比，找出测试时随着压深的不同，弹 性模量、硬度等呈现出的变化规律；得出双层金属纳米薄膜的膜一膜界面结合力； 探讨了双层膜界面的微结构及其对整个膜一基体系的性能影响；对测试结果的影 响因素进行了讨论。有限元方面，通过对纳米压痕实验的模拟，得出了最大压深 时仿真结果与实验结果的压力一压深曲线的对比，以及双层膜的应力分布及其表 面处、界面处、压头下的应力一位移曲线等。具体研究内容有以下几个方面： 1 利用磁控溅射方法在玻璃衬底上制备了c u c r 、a l c r 、w c r 、c r a 1 四组 金属双层纳米薄膜，并对其进行了热循环载荷试验，模拟实际工作环境下金属双 6 江苏大学硕士学位论文 层膜承受冷热循环载荷。 2 利用纳米压痕实验对c w c r 、册、w c r 、c r a ! 四组金属双层纳米薄膜 进行测试，得出其弹性模量值和硬度值，并对比分析了热循环载荷对c u c r 、砧c r 两组双层膜的压痕测试结果的影响。 3 利用纳米划痕实验对w c r 、c 魄蛆两组金属双层纳米薄膜进行测试，得出 双层膜中膜一膜界面、膜一基界面的界面结合力，并且对比了热循环载荷前后的划 痕测试结果。 4 利用有限元方法，在c r a 1 金属双层纳米薄膜纳米压痕实验的基础上，对 其进行仿真模拟，研究其应力分布规律以及双层膜中膜一膜界面、膜层表面处以 及压头下方的应力值，将仿真结果与试验结果进行对比分析，使得纳米压痕测试 更加完善。 本研究内容不仅对金属双层纳米薄膜的力学性能进行了测试、进一步推广了 纳米压痕测试和纳米划痕测试的实验方法，而且实验与有限元相结合的研究方法 也对整个薄膜的研究手段具有一定的指导意义，必将推动表面工程、微纳电子器 件等相关领域的发展。 7 江苏大学硕士学位论文 第二章基本理论 2 1纳米压痕技术的测试原理 纳米压痕技术的测试原理须在理想的实验条件下作出如下假设：样品为各向 同性材料，表面为无摩擦的弹性半无限空间，即压头曲率半径相对于表面尺寸非 常小，测试面积相对于接触面积非常大；压针为刚性，即无变形；与压针接触的 材料及其周围不存在与时间相关的变形，即无蠕变和粘弹性；压针与测试样品间 无摩擦，载荷完全加载在测试样品上。 由于数学公式的推导与压头的形状有关，所以有必要介绍一下纳米压痕实验 中几种常用的压头，如图2 1 所示： a ) 球形压头； 协b e r k o v i c h 压头，这是纳米压痕实验中广泛使用的压头，呈三棱锥形，这 种压头的面积压深函数与v i c k e r s 压头相同； 曲圆锥压头； a ) 球形压头 一审 b ) b e r k o v i e h 压头 c ) 圆锥压头 图2 1 几种常用压头的几何形状 f i g 2 1t h es e v e r a lk i n d so fi n d e n t e r s 8 江苏大学硕士学位论文 r 嗵 压深h 图2 2 典型的压深一压力曲线 f i g2 2t h ec l a s s i c a lc u r v eo fl o a dy s i n d e n td e p t h 圈 图2 3 压头压入材料及卸载后压头参数示意图 f i g2 3t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ei n d e n tp a r a m e t e r s 图2 2 是典型的三棱锥玻氏压针纳米压痕仪压痕实验得出的曲线，在加载的 过程中，样品材料产生同压针形状相同的压入接触深度和接触半径。在卸载过程 中，硬度和模量可以从最大压力、最大压入深度、卸载后的残余深度一 和卸载曲线的顶部斜率s = 护砌中获得，图2 3 所示为压头压入材料及卸载后 压头参数示意图。 通过拟合实验得出的压深一压力曲线，得出如下的函数： p = c t ( h 一 ，) 艉 ( 2 1 ) 上式中，口和m 是通过测试获得的拟合参数。通常，采用最小二乘法拟合 卸载曲线顶部的2 5 - - - 5 0 。将上式在最大压深处求导，得出接触刚度s ： 9 江苏大学硕士学位论文 吲芸k 。= a m ( h 一卅 ( 2 - 2 ) 接触深度吃：对于弹性接触而言，接触深度吃总是小于压入深度k 。 吃= k g 了- - m a y ( 2 3 ) 上式中是与压针形状有关的常数，测试时使用的是三棱锥玻氏压针，等同 于圆锥形压针，故= 0 7 2 ；对于抛物形，= 0 7 5 。 接触面积a ：ol i v e r 1 6 】等人论证了a 是接触压深吃的函数： a = f ( h o ) = 刀- c o t 2 研( 2 - 4 ) 对于理想的玻氏压针，口：1 9 7 0 ，于是可以得出： a = 2 4 5 6 砖 ( 2 5 ) 但是由于受到加工精度的限制以及使用过程中的磨损，压针的端部并非是理 想意义上的点，而是具有一定曲率半径的圆弧，这就导致了浅压深时，真实面积 函数和理想面积函数之间存在着较大的差异，从而导致测试结果产生一定的误 差。因此，实际压针的面积函数需要在理想的面积函数的基础上进行修正： a=g酵(2-6) 对于玻氏压针而言，i - 7 ，于是有： a = 2 4 5 形+ 6 - 6 4 6 x 1 0 a 吃一1 6 3 x 1 0 5 卅( 2 - 7 ) l 1l + 9 3 1 x 1 0 s 彤- 1 5 4 x 1 0 6 彤+ 7 4 2 x 1 0 s 噬6 折合模量e ： 巨：塑牟 ( 2 8 ) 点，2 万面 ) 对于玻氏压针而言，p - 1 0 3 4 。样品材料的压入模量可以由下式得出： 土：垡+ 丝( 2 - 9 ) 一= + 上 j e t e e i 式中e 、y 分别为样品材料的模量和泊松比；骂、嵋分别为压针的模量和泊 江苏大学硕士学位论文 松比。对于金刚石压针而言，噩= 1 1 4 1 g p a ，嵋= 0 0 7 。 硬度h 可以由下式得出： h：=p,m(2-10) a 目前，根据这一原理，纳米压痕技术的主要应用有【4 4 1 ： 1 ) 刚度及弹性模量的测试：若压力较小，压痕较浅，加载曲线与卸载曲线 可能完全重复，这说明在压痕过程中，金属薄膜发生完全弹性变形，此时刚度很 容易计算出来。就一般情况而言，卸载过程中材料都有一定的弹性恢复，通过对 卸载曲线的分析，并结合经验公式，可以得到金属薄膜的弹性模量。 2 ) 硬度的测试：根据载荷一位移曲线和压头的面积函数计算瞬时接触面积， 避免了直接成像带来的误差，不但可以对压头载荷随压入深度连续变化进行精确 测量，而且能够在相对有限的材料体积内产生很高的应变、应力或应变速率，极 大地拓展了传统硬度测试仪的研究能力。 3 ) 复合材料界面特性的研究：由于纳米压痕是通过极细的金刚石探针与测 试材料点接触，并可透过增强相，界面相甚至衬底，这就使得用它研究复合材料 的界面性能成为可能。 4 ) 摩擦及刮擦实验的研究：纳米压痕系统具有极高的位移分辨率和超低载 荷。在可控载荷作用下，探针与材料表面轻轻接触，可以进行纳米尺度的摩擦与 刮擦实验，从而获得有关的粘附特性、摩擦特性等方面的信息。 5 ) 纳米加工：纳米压痕系统中的金刚石探针，具有足够高的强度，用它可 以在样品表面进行机械加工，类似纳米刨刀，在超低载荷作用下，通过一定的扫 描方式，可以获得所需的刻痕。 2 2 纳米划痕技术的测试原理 金属双层纳米薄膜中，薄膜与衬底间以及薄膜与薄膜之间的原子会互相受 到对方的作用，尤其是薄膜与薄膜之间的界面处，不可能是理想的两种薄膜的简 单叠加。由于原子间的相互作用，使得单位面积上的薄膜从衬底上或下层薄膜从 上层薄膜上准静态地剥离下来需要产生一定的力，即附着力，亦称为结合力。结 合力的测试有多种测试方法，其中划痕测试技术是最为广泛的一种。 1 1 江苏大学硕士学位论文 纳米划痕技术的测试原理可以简单的描述为f 4 5 】：测试时，金刚石划头接触 样品表面，并施加连续的载荷，同时产生声发射信号，开始时信号为一平坦的曲 线，这表明样品仍然完好；当施加的载荷增大到一临界载荷处时，设备会产生噪 声信号，并且信号曲线突然向上升高产生突变，不再平坦，此时说明双层膜中膜 一膜界面处开始剥离；当继续增加载荷，在第二突变处，同样说明薄膜开始从衬 底上剥离。纳米划痕测试的装置简图如图2 4 所示，当球形划头划入薄膜中时， 薄膜与衬底将发生形变，其形变状态如图2 5 所示。 蒋展 基裁一 萄重 图2 4 纳米划痕测试的测量装置简图 f i g2 4t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f t h en a n o s c r a t c h 假设l 点的剪切应力为f s ，则有： 声= 压p 薄膜 基板 图2 5 薄膜的形变和力的关系 f i g2 5t h ed e f o r m a t i o nv s 1 0 a do ft h ef i l m s ( 2 1 1 ) 式中，w 为加于划头上的载荷，r 为划头的曲率半径，p 是下层膜或衬底在 l 处施加给划头的阻力，其大小可以认为和下层膜或衬底的布氏硬度大致相同。 当w 增大到一临界值w = w c 时，薄膜便在l 点首先破裂。若再使划头移动，则 几乎不需要再加力就会把薄膜劈开。故划破薄膜使其脱落下来的力( 单位面积) 大体上可以认为是f s 的临界值，即f s c ： f s c = 、茹中 像 这便是结合力。当p 未知时，可以通过测量划痕宽度d ，由d 表达式确定p ， 即： = 居( 2 - 1 3 ) 江苏大学硕士学位论文 p = 暑 由此可以得出： ( 2 1 4 ) f s c ：坠一 ( 2 1 5 ) 2 磊矿i 屹。1 上述测试原理是基于测试过程中划头曲率半径不会发生变化这一假设闱，即 在薄膜剥离时面积不会发生改变。这样便可以计算出薄膜剥离时薄膜与衬底间界 面以及双层膜界面处的单位面积上所需要的外力，即临界载荷，从而得出所需的 结合力的大小。目前，测试时有四种方法可以用来度量这一临界载荷f s c ： 1 ) 声发射检测，划痕出现突变性信号时的试验力为临界载荷f s c ； 2 ) 显微观察法或扫描电镜法，以出现裂痕或剥落的最小试验力为临界载荷 f s c ： 3 ) 切向摩擦力法，划痕时随着试验力增加，切向摩擦力明显增加处为临界载 荷f s c ： 4 ) 电子探针法，用电子探针对划痕沟槽进行化学分析，以最先测得不同成分 的试验力为临界载荷f s c 。 2 3 高级有限元分析理论 有限元分析的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解 域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的 ( 较简单的) 近似解，然后推导求解这个域总的满足条件( 如结构的平衡条件) ， 从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，这是因为实际问题被较简 单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度 高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的研究分析手段。 对于金属双层纳米薄膜的压痕测试的有限元模拟涉及到塑性分析、非线性分 析和接触分析，所以选用有限元分析方面著名的商业软件a n s y s 进行数值模拟。 仿真时涉及到的塑性分析、非线性分析和接触分析理论现介绍如下【钥。 江苏大学硕士学位论文 2 3 1 塑性理论介绍 塑性是指材料在某种给定载荷下产生永久变形的特性。对于多数工程材料而 言，当其应力小于比例极限时，应力一应变关系是线性的，表现为弹性行为，严 格满足胡克定律，此时撤销载荷后，其应变能够完全恢复；当应力大于屈服极限 时，应力一应变关系是非线性的，表现出塑性行为，此时撤销载荷后