划痕试验法表征薄膜涂层界面结合强度

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1、第24卷第2期江苏大学学报（自然科学版）Vol.24No.22003年3月JournalofJiangsuUniversity（Naturalscienceedition）Mar.2003!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!划痕试验法表征薄膜涂层界面结合强度冯爱新1，张永康1，谢华琨2，范真1（1.江苏大学机械工程学院，江苏镇江212013；2.成都工具研究所，四川成都610056）［摘要］薄膜-基体界面结合性能是直接关系到膜-基体系最终使用性能和可靠性的关键因素和首要指标.划痕试验法是唯一广泛应用于测量

2、硬质薄膜-基体界面结合强度的实用的检验方法.文中给出划痕试验法表征薄膜涂层界面结合强度的原理、方法与过程，以及临界载荷!的确c定方法，分析影响临界载荷!和压头与薄膜-基体组合体之间摩擦系数因素.最后，介绍了常c!用划痕试验检测的薄膜体系及其特点与划痕形貌.［关键词］薄膜涂层；结合强度；划痕试验法［中图分类号］TB43［文献标识码］A［文章编号］1671-7775（2003）02-0015-05磨损、腐蚀和疲劳是零件或构件在工作过程中条件，也是涂层制造过程中普遍关心的问题.涂层失效的最主要的三种形式，尤其是在高速、高温、高与基体的结合强度是影响涂层质量的首要指标.压、重载、腐蚀介质等工作条件下，

3、往往因零件或构测量薄膜涂层界面结合强度的试验方法很多，件表面局部损坏而使其失效，最终导致设备报废.有划痕法、压痕法、弯曲法、冲击法、拉伸法及断裂力［3］而这些失效现象，大都发生在材料表面，因而采取各学法等355种.在所有实用的膜-基界面结合强种手段以提高材料的表面性能，无疑是增加零件安度检验方法中，尤其是硬质薄膜-基体界面结合强全可靠性或延长使用寿命的非常有效的措施.度的检验方法中，仅划痕检验法得到广泛的应用.表面涂层技术是提高材料表面性能的重要手段划痕检验操作简便、直观、可量化，且在一定程度上之一（另一重要手段是表面改性技术），是用极少量模拟实际工况等优点，已被世界多数国家所采用，国的材料赋

4、予零件和构件表面耐磨、耐腐蚀、耐热、耐内也已陆续引进、研制和生产了多种划痕试验机.疲劳、耐辐射以及光、热、电、磁等特殊性能，起到即中科院兰州化学物理研究所和大连理工大学起草制使用大量昂贵的整体材料也难以起到的作用，大量定了《气相沉积薄膜与基体附着力的划痕实验法》［4，5］节约了资源和能源，可充分发挥基体材料和涂层材（JB!T8554-1997）于1998年1月开始实施.［1，2］料的潜能，降低生产成本.薄膜涂层技术和厚膜涂层技术是涂层技术发展的两个方向.近年来，随!划痕试验法原理着表面工程技术和纳米技术的发展，薄膜技术发展迅速，人们能够用多种方法制备各种微纳尺度薄膜，!"!划痕试验法简介满足各

5、种性能要求.目前，薄膜涂层技术已广泛用划痕试验法是用一个直径约200"m的半球形于航空、航天、机械制造、电子技术、光学工程及计算金刚石压头在薄膜表面上滑动，在此过程中通过自机工程等各个领域.动加载机构连续增加垂直载荷!，当!达到其临界随着薄膜技术的广泛应用，人们对涂层应用的载荷!c时，薄膜与基体开始剥离，薄膜-基体界面可靠性和使用寿命提出越来越高的要求，而薄膜与临界载荷!即压头完全划透薄膜并使之从其基体c基体的结合性能在很大程度上决定了涂层应用的可上连续剥离所需要的最小载荷；同时，压头与膜基体靠性和使用寿命，是得以发挥薄膜涂层作用的基本系的摩擦力"相应发生变化.此时，脆性薄膜会产［收稿日期］2

6、002-09-12［基金项目］国家自然科学基金资助项目（50275069）；江苏大学微纳米科学技术研究开放基金资助项目［作者简介］冯爱新（1970-），男，江苏东台人，讲师，博士生，主要从事薄膜检测、模具设计与制造、机械制造的研究.16江苏大学学报（自然科学版）第24卷生声发射，通过传感器获取划痕时的声发射信号、载信号~载荷曲线上临界载荷值!处对应得出声发c荷的变化量、切向力的变化量.经放大处理，输入计射峰（图1），此时临界载荷!即为薄膜与基体结合c算机经A!D转换将测量结果绘制成图形，在声发射强度的判据.图1划痕试验结果Fig.1Resultofscratchtesting涂层附着力划痕试验

7、仪通常有两种检测模式：检测压头与薄膜之间的摩擦力并输入微机；微型计一种是声发射法，主要适用于2"7#m的硬质薄膜算机用以实施测试自控和自动处理数据，并动态显涂层的检测，当压头将涂层划破或剥落时会发出微示及存贮数据与图形.弱的声信号，此时载荷即为涂层的临界载荷，由此可1.3临界载荷!c的确定方法得到涂层与基体的临界载荷；另一种为切向力法，主临界载荷!的确定方法主要有4种：c要用于2#m以下及较软薄膜