薄膜与涂(镀)层膜基界面结合强度表征和评价马峰,蔡王旬(上海交通大学教育部高温材料与高温测试重点实验室,上海200030)[摘要]�膜基界面结合强度是直接关系到膜基体系最终使用性能和可靠性的关键因素。对现用的薄膜与基体之间界面结合强度表征方法进行了综合评述,并报道了一些研究新进展。[关键词]�薄膜;基体;结合强度[中图分类号]TQ113.25+1�����[文献标识码]A������[文章编号]1001-3660(2001)05-0015-05CharacterizationandEvaluationoftheInterfacialBondStrengthBetweenCoatingandSubstrateMAFeng,CAIXun(KeyLab.oftheMinistryofEducationforHighTemperatureMaterialsandTesting,ShanghaiJiaotongUniv.,Shanghai200030,China)[Abstract]�Theinterfacialadhesionandbondstrengthbetweencoatingandsubstrateareoftenthepredominantfactorinde-terminingtheperformanceandreliabilityofcoating-substratesystems.Inthispaper,awiderangeoftestmethods,whichhasbeendevelopedforcharacterizingandevaluatingcoating-substratebondstrength,isreported.Somenewdevelopmentsinthisareaarea-lsoillustrated.[Keywords]�Coating;Substrate;Bondstrength0�引�言材料表面改性和薄膜材料应用中,首先要求薄膜与基体之间具有足够的界面结合强度。膜基之间结合强度的好坏是评价膜层质量的关键指标,是保证薄膜满足力学、物理和化学等使用性能的基本前提[1]。如何提高薄膜的界面结合强度,如何正确评价和表征膜基之间的界面结合强度是一个有待进一步研究的热门话题[2]。1�界面结合强度的表征与评价薄膜与基体间的结合强度可从两种不同的途径去测量:(1)以力的形式,把薄膜从基体分离单位面积所需的最大的力称为薄膜结合力;(2)以能量或功的形式,把薄膜从基体分离所做的功称为附着功。Chalk-er[3]指出,一种理想的界面结合强度测试方法应满足以下条件:(1)能使薄膜脱离基体并有良好的物理模型;(2)能够准确地测定有关力学参量。此外,测试方法应简单易行,并可在工件上直接进行无损检测;重复性好,易于实现自动化。界面结合强度的测试方法大体可分为3类:核化法、力学法和混合法[3]。核化法在原理上是测定单一键合断开时所吸收能量的总和,概念上十分简单。但这种方法需要建立在如下研究基础之上:(1)形核率;(2)核岛密度:(3)临界形核能:(4)沉积原子在基体表面的停留时间。对于实际的薄膜而言,此方法是不可行的。力学法的实用性较强。一般的做法是在薄膜/基体体系中施加一个力,该力可平行或垂直于界面直接施加其上,也可间接地引入到薄膜和基体体系中。以下对各种常用方法进行说明。2�拉伸法评述[收稿日期]2001-06-03[基金项目]国家自然科学基金资助项目(59971030)[作者简介]马峰(1974-),男,河南洛阳人,上海交通大学博士,主要从事薄膜的力学表征及测试研究。152001年10月��������表�面�技�术��������第30卷�第5期��其原理是在垂直薄膜与基片的界面方向上施加一拉力,并逐渐加大该载荷,当膜基脱离时的拉力即为界面结合强度。该法的困难在于:(1)所加的外力中不能含有剪切分量:(2)焊接或粘接钢棒时,不能影响到薄膜的性能:(3)焊接或粘接层的厚度要均匀,并保证接触面积不变。因此,为了获得可靠的试验结果,焊接或粘接必须在专用装置上完成,以保证加到拉伸杆上的拉力通过基片圆平面的中心点。另外,所测界面结合强度应小于焊接或粘接强度才有意义。Argawal和Raj[4]提出了金属/陶瓷界面结合强度的拉伸测试法。在试验过程中裂纹沿垂直于载荷的方向上产生,最大裂纹密度与界面剪切强度之间的关系为:�=��t�/a式中,t为裂纹深度,a为裂纹之间的最大间距,�为薄膜的抗拉强度(见图1)。图1�Argawal和Raj提出的拉伸测试法[5]图2�改进的剪切测试[10]Shiao等[6]对不锈钢表面用HCD-IP法沉积TiN膜的机械性能进行了分析研究。通过试验与理论计算,TiN膜的剪切强度,TiN/不锈钢界面的最大剪切强度和界面结合强度分别为15.36GPa,9.87GPa和1.06GPa。剪切测试技术是一种建立在拉伸测试原理上的改良方法。它是在平行于膜/基界面的方向上施加一载荷,以膜/基分离时,单位面积上所能承受的最大切应力作...
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