图6-13 典型纳米划痕实验图解
在薄膜表面同一划道上以恒定载荷进行连续多次的划痕实验,每划一次进行表面轮廓线扫描,获得弹塑深度和摩擦力数据以研究膜层的摩擦学性能和耐磨性。图6-13[43]为线性加载纳米划痕实验时得到的压头垂直位移(深度)随横向位移(划痕距离)和垂直加载的典型变化曲线。初始扫描(Pre-scan-ning)1代表未划擦之前薄膜的表面情况;划后扫描(Post-scanning)2获得的是划痕过程造成的表面损坏信息;划痕位移(Scratching Displacement)3记录的是划擦过程中随加载的增大压头进入试样的垂直深度变化曲线;永久划痕深度可由划痕后表面轮廓线2减去划痕前表面轮廓线1得到;划痕曲线3与划痕后表面轮廓线2的深度差为表面的弹性恢复值;切向力(曲线4)与法向力(曲线5)之比为摩擦因数。线性加载通常在划过一小段距离后开始,划痕曲线3和划痕后表面轮廓线2的深度随载荷增加而线性增加,在此阶段通常发生的是弹性形变并未对膜层造成永久塑性形变,在线性增长末尾划痕曲线3和划痕后表面轮廓线2的深度发生突变并呈现较大的波动,表明膜层已发生永久塑性变形或破损,该突变点定义为薄膜失效的临界点。
从微观角度讲,划痕实验中探针在样品表面的划擦可以被认为是类似于常规磨料磨损中的硬质颗粒对材料的磨损。磨料磨损的一般模型是指通过磨料或探针划痕搬移被磨材料,其磨耗率Q是单位划痕长度的磨耗体积,等于划痕体积与划痕长度之比。划痕体积可通过原子力显微镜对划痕形貌的观测计算得到,也可通过划痕表面轮廓线数据结合探针几何参数计算得到。磨耗率Q[44]可表示为
Q=KP/H (6-16)
式中,K为磨耗系数;P为载荷;H为划痕长度。(www.xing528.com)
对于摩擦接触体系,其抗划痕能力可用塑性指数ψ表示
式中,E为接触面的纳米压痕复合模量;H为被磨材料的硬度。
较低的E/H值有利于限制材料的塑性形变而改善弹性形变,从而提高耐磨性能。结合纳米压痕实验和划痕实验可以研究薄膜材料的耐磨性。
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