Методы измерения механических свойств тонких пленок

 

 

Рис. 2. Серия из 49 отпечатков при  увеличении х800 и область из 4 отпечатков при увеличении х4000. Алюминий (АСД), дисперсно-упрочненный наночастицами квазикристаллов Al-Cu-Fe.

 

2. Оценка механических свойств многофазных и композиционных материалов. Механическая спектроскопия.

Для оценки механических свойств  многофазных материалов используют матричное индентирование с заданным шагом, выбранным так, чтобы отпечатки попали на разные структурные составляющие. При достаточно большом количестве независимых измерений и значимой разнице свойств отдельных структурных составляющих можно получить не только усредненные значения твердости, модуля упругости и упругого восстановления, но также количественно оценить их долю и построить карту распределения механических свойств в многофазных и композитных материалах.

 

1. Измерительное царапание

Для испытаний покрытий с  целью определения адгезионной/ когезионной прочности, стойкости к царапанью и определения механизма разрушения используют прибор РЕВЕТЕСТ (REVETEST, CSM Instruments), схема которого показана на рисунке 3.

 

 

 

Рис.  3.  Схема испытания на приборе REVETEST

 

На этом приборе проводят царапание изучаемой поверхности  алмазным конусным индентором типа Роквелла при постоянной, ступенчато или непрерывно нарастающей нагрузке. В ходе перемещения индентора с заданной скоростью и с увеличивающейся нагрузкой, проходит запись на компьютер показаний нескольких датчиков, а именно: силы нагружения, интенсивности акустической эмиссии, силы трения, коэффициента трения, глубины царапины. Данные сохраняются на жестком диске управляющего компьютера и далее по анализу формы кривых «свойство-нагрузка» и наблюдении следов разрушения покрытия в оптический микроскоп определяют какая минимальная (критическая) нагрузка (L_c) привела к разрушению.

На рисунках 4 и 5 представлены результаты испытаний тонких PVD пленок на основе квазикристаллов системы Al-Fe-Cu. Квазикристаллическая пленка была получена на сапфировой пластине методом магнетронного распыления с последующим отжигом. Во избежание прогиба сапфировая подложка с покрытием наклеена пицеином на стальной диск. Испытания были проведены при следующих условиях: нагрузка нарастала от 0,9 до 50 Н со скоростью 10 мм/мин, длина царапины составляла 5 мм. Алмазным индентором типа «Роквелл С» с радиусом закругления 100 мкм были нанесены четыре царапины и определены усредненные значения критической нагрузки.

 

 

A

B

C

 

Рис. 4. Изменения сигнала  разных датчиков при царапании образца при нагрузке, нарастающей от 0,9 до 50 Н. Использованы следующие обозначения: ГП – глубина погружения, АЭ – акустическая эмиссия, КТ – коэффициент трения, СТ - сила трения.

 

Условно процесс разрушения покрытия при царапании алмазным индентором можно разделить на три стадии (Рис. 4). На стадии А происходит монотонное проникновение индентора в покрытие: глубина проникновения (ГП) и коэффициент трения (КТ) слабо понижаются, сила трения (СТ) слабо повышается, сигнал акустической эмиссии (АЭ) сохраняется неизменным. На стадии B проходит скачкообразное увеличение уровня и амплитуды АЭ, изменение наклона кривых КТ и СТ. На стадии C заметно немонотонное изменение ГП, КТ и СТ.

 

 

Рис. 5. Фотографии участков царапины (х800) при нагрузке на индентор 11 (а), 18(б), 30(в), 37(г) Н.

 

Сравнительный анализ структурных  особенностей царапины позволяет заключить, что на стадии А (нагрузка менее 10 Н) индентор практически не оставляет следов на покрытии (Рис. 5а). Скольжение алмазного индентора по квазикристаллической пленке проходит с очень низким коэффициентом трения (менее 0,1).

Нагрузки более 10-11 Н (стадия B) приводят к появлению как шевронных трещин на дне царапины, так и диагональных трещин по ее берегам (Рис.5б). При замыкании диагональных трещин по берегам царапины наблюдаются отщепления отдельных чешуек. Образование таких трещин сопровождается ростом уровня и амплитуды сигнала АЭ, а также монотонным увеличением КТ до 0,2.

Третья стадия С связана  с локальным, а затем непрерывным  скалыванием подложки под давлением индентора (Рис.5в, 5г). Появление отдельных сколов покрытия сопровождается резкими всплесками кривой КТ вверх, а кривой ГП – вниз (Рис.4).

Таким образом, адгезионная  прочность данной пленки составляет 11 Н. При нагрузках на индентор более 31 Н проходит локальное разрушение подложки, а нагрузка более 37 Н вызывает разрушение подложки по всей площади контакта.

 

3. Измерения при поверхностном скольжении и изнашивании (трибологические испытания).

Трибологические испытания  функциональных поверхностей по схеме  «стержень-диск» (Рис. 6) проводят на автоматизированной машине трения, например, марки «TRIBOMETER», CSM Instr. как на воздухе, так и при погружении в жидкую среду. Эти испытания также позволяют использовать модель Герца, они соответствуют международным стандартам ASTM G99-959 и DIN50324 и могут быть использованы для оценки износостойкости образца и контртела.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.  6. Схема испытания на установки TRIBOMETER :F – нормальная нагрузка, r - радиус шарика, R - радиус кольца износа

 

Непосредственно в процессе испытаний определяют коэффициент  трения трущейся пары. Контртело в виде шарика изготавливают из сертифицированного материала (Табл.  4). При испытании шарик фиксируют в держателе из нержавеющей стали, который передает ему заданную нагрузку и связан с датчиком силы трения.

Табл. 4. Условия испытаний  на установке «TRIBOMETER»

Контртело	Шарик диаметром 3мм
Материал  контртела	Стали, Al2O3, Si3N4, WC-Co, и др.
Нормальная  нагрузка	1-10 Н
Радиус  кольца износа	3-30мм
Линейная  скорость	0.01-50 см/с
Среда испытания	Воздух  или жидкость

 

Важную информацию о механизме  разрушения покрытия дает анализ продуктов  износа, строение бороздки износа (на образце) и пятна износа (на контртеле - шарике). Для этого применяют микроскопические наблюдения и измерения профиля бороздки износа. Строение бороздок износа (на дисках) и диаметр пятен износа (на шариках) наблюдают в оптический микроскоп AXIOVERT CA25 (Karl Zeiss) при увеличении х(100-500) и стереомикроскоп МБС-10 (ЛЗОС) при увеличении х(10-58). Измерения вертикального сечения бороздок износа проводят на профилометре SURFTEST SJ-402 (Mitutoyo) в четырех диаметрально и ортогонально противоположных областях и определяют среднее значение площади сечения и глубины бороздки.

Таким образом, комплексное  трибологическое исследование включает непрерывную запись значений коэффициента трения при испытании по схеме «неподвижный стержень- вращающийся диск», а также фрактографическое исследование, в том числе измерения профиля бороздки и пятна износа, по результатам которого проводят расчет износа образца и контртела.

Количественно потерю объема при изнашивании проводят по следующим формулам:

потеря объема образца ΔV_обр= S*l, (мм³),

где l – длина бороздки (мм), S – площадь сечения бороздки износа (мм²);

потеря объема контртела ΔV_шар= p*h²(r-1/3h), (мм³),

где h =r-(r²-[d/2]²)^1/2, (мм) 
d - диаметр пятна износа, r - радиус шарика, h – высота стесанного сегмента.

Приведенный износ I (величину, обратную износостойкости) рассчитывают, используя нормировку потери объема при испытании ΔV на величины пробега N (м) и приложенной нагрузки P (Н): I=ΔV/(N·P).

Приведенный износ покрытия и контртела не зависит от пути пробега и нагрузки и позволяет  сравнивать трибологические испытания, проведенные при разных условиях. Из (Рис. 7) видно, что износостойкость многокомпонентных наноструктурных покрытий TiBN, TiCrBN, TiCN, TiSiN, осажденных на подложке из твердого сплава ТТ8К6 методом магнетронного напыления, в несколько раз выше, чем покрытий из нитрида титана.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 7.  Износостойкость  наноструктурных покрытий TiBN, TiCrBN, TiCN, TiSiN и TiN по данным комплексного трибологического исследования

 

К перспективным материалам, которые обладают низким коэффициентом трения, относятся материалы на основе квазикристаллов. В таблице 5 представлены результаты исследований трибологических свойств образцов на основе квазикристаллов Al-Cu-Fe (Al₆₅Cu₂₂Fe₁₃): объемного квазикристаллического образца, полученного методом горячего прессования; наноструктурной тонкой пленки, осажденной методом магнетронного распыления; объемных композиционных материалов на основе алюминия АСД, дисперсно-упрочненных квазикристаллическими нано- и микрочастицами. В трибологических испытаниях контртелом служил стальной шарик (сталь 100Cr6, аналог стали ШХ15).

Как видно для исходной алюминиевой матрицы АСД и  композита «АСД+10% нано» отмечено налипание продуктов износа на контртело. Эти образцы показали высокий износ. Лучшую износостойкость и самый низкий начальный коэффициент трения показали тонкая магнетронная пленка и композит «АСД+30% нано». Отмечено, что во всех случаях при испытании композитов на алюминиевой основе происходил абразивный износ и локальная пластическая деформация, а именно выдавливание материала образца из бороздки износа к ее берегам и образование «навалов».

 

Табл. 5. Трибологические  свойства материалов и покрытий на основе квазикристаллов системы Al-Cu-Fe

Образец	Способ получения	Стартовый коэффициент трения	Износ контртела, мм3/Н/м	Износ образца, мм3/Н/м
Спеченный образец	Горячее спекание	0.14	2.10·10-6	Нет данных
магнетронная пленка	Магнетронное осаждение	0.29	2.44·10-6	6.95·10-5
АСД	Горячая экструзия	0.22	Налипание	1.24·10-2
АСД+10% нано	Горячая экструзия	0.20	Налипание	8.62·10-3
АСД+15% микро	Горячая экструзия	0.28	0	3.0·10-4
АСД+30% микро	Горячая экструзия	0.22	1.15·10-5	1.33·10-4
АСД+30% нано	Горячая экструзия	0.19	9.87·10-6	9.23·10-5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Таким образом, рассмотрены  методы оценки механических и трибологических свойств функциональных поверхностей перспективных материалов и покрытий в условиях механического контакта при вдавливании, царапании и скольжении контртела.

Показано, что современные  методы изучения поверхности позволяют  получить ранее недоступные сведения о структурно-чувствительных свойствах - модуле Юнга и твердости - используя чрезвычайно малые (наноразмерные) объемы материала для исследования. Определение этих свойств играет первоочередную роль при конструировании новых наноразмерных тонких пленок, в том числе композиционных и функционально-градиентных, позволяя прогнозировать возможные механизмы их разрушения, контролируемые структурным состоянием поверхностных слоев.

Весьма важным является использование  сертифицированного оборудования и стандартизация измерений. Только использование комплекса современных сертифицированных методов позволяет сравнивать измерения, проводимые в разных лабораториях.

Дальнейший прогресс в  области создания функциональных и  многофункциональных наноструктурированных материалов и покрытий связан как с освоением промышленных технологий их получения, так и с аттестацией методик измерения свойств наноматериалов, созданием стандартных образцов, созданием метрологического комплекса на основе различных методов (включая наноиндентирование, измерительное царапание, ударно-динамические и трибологические измерения, оптическую и контактную профилометрию), выполнением требований взаимного признания результатов измерений и калибровки в соответствии с СМС.

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Григорьев Ф.И. «Осаждение тонких пленок из низкотемпературной плазмы и ионных пучков в технологии микроэлектроники». Учебное пособие / Моск. гос. ин-т электроники и математики. – Москва, 2006.
2. Свадковский И.В. «Направления развития магнетронных распылительных систем». – Минск, БГУИР, 2007.
3. А.В.Панин, А.Р.Шугуров, К.В.Оскомов «Исследование механических свойств тонких пленок золота на кремниевой подложке методом наноиндентирования. – Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 11 с. 1973-1977.
4. Петржик М.И., Штанский Д.В., Левашов Е.А. Современные методы оценки механических и трибологических свойств функциональных поверхностей. Матер. X Междунар. науч.-техн. конф. “ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ РОССИИ” XVI Междунар. симп. “ТОНКИЕ ПЛЕНКИ В ЭЛЕКТРОНИКЕ”, Москва, 9-11 сент. 2004 г.), ОАО ЦНИТИ “Техномаш”, с. 311.
5. Интернет ресурс: http://www.plasmacentre.ru.
6. Интернет ресурс: http://ion-sources.narod.ru/