薄膜纳米压痕力学性能检测的其他方法

1.膜层形态构成的分析

纳米压痕试验可以用作研究薄膜均匀性的量化工具，根据同一材料表面不同区域压痕试验的多组载荷—深度曲线的重合程度，可判断材料表面力学性能的均匀性，重合程度越高则表明材料表层均匀性越好^[18]。

显微硬度总的来说遵从加和法则，即总硬度可表示为结晶相和无定形相按体积分数的硬度之和

H=W_cH_c+（1-W_c）H_a （6-8）

式中，H_c、H_a分别为聚合物中结晶相和无定形相的本征显微硬度，它们可通过将H-W_c曲线外推估算出来；W_c为材料中结晶相的体积分数。

通过测定实际材料的硬度值可按式（6-8）计算出聚合物薄膜的结晶度。

图6-6 薄膜失效时载荷—深度曲线上形成的突变台阶

2.膜层与基体的界面结合性能

纳米压痕试验中，薄膜发生失效或脱落时，载荷—深度曲线上出现突变台阶，如图6-6所示，其对应的深度为膜厚，对应的载荷为膜层失效的临界载荷L_c。断面纳米压痕^[19]则提供了快速检测薄膜脱落并直接观察界面裂纹的试验方法，压痕试验的金刚石探针作用在靠近薄膜/基体界面的基体上以使三角形压痕的一边平行于膜层界面，施加垂直于膜层断面的载荷，测定载荷—深度数据。薄膜失效时，金刚石探针的移动运动状态会突然变化，在载荷/深度曲线上形成突变台阶，由此可确定临界载荷，并可按照薄膜应变能释放速率等于界面表面能的概念计算界面断裂韧性。在对薄膜（涂层）/基体复合体系在压入过程中的复杂弹塑性力学行为进行简化处理之后，国外众多学者相继提出了压痕法测定薄膜（涂层）/基体界面结合强度的模型^[20，21]，建立了载荷与界面力学参数之间的定量关系，从而可根据薄膜（涂层）开裂或剥离方式建立有效的薄膜（涂层）失效判据。但由于薄膜（涂层）/基体的界面结合强度是一个综合性能指标，其表征涉及膜层与基体复杂的弹塑性和断裂力学行为，因此，需要应用实验和理论模型数值分析相结合的方法实现对膜基界面结合强度做出准确的分析。(www.xing528.com)

3.膜层断裂韧性

薄膜的断裂韧性是研究材料强度及抗破坏能力的一个临界参数，断裂韧性按纳米压痕试验通常用两种方法进行估算，一种是根据贯穿膜厚的环形断裂释放能、裂纹尺寸和膜厚计算^[22]，即

式中，E为弹性模量；2πC_R为薄膜平面的裂纹长度；ν为泊松比；t为膜厚；U为断裂前后的应变能差，U值可通过薄膜失效时在压痕载荷—深度曲线上的突变台阶面积计算。

断裂韧性也可按常规方法计算^[23]，即

式中，α为经验常数可取0.016；硬度H、模量E、断裂载荷p可以从纳米压痕试验直接得到；C为探针中心到裂纹末端的长度。

该法适用于膜层和基体的模量失配较低且裂纹在膜层内的纳米压痕。