一种评价Cu系脆性金属纳米多层膜材料断裂韧性的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于材料技术领域，涉及一种Cu系脆性金属纳米多层膜材料，尤其是一种 评价Cu系脆性金属纳米多层膜材料断裂韧性的方法。
【背景技术】
[0002] 纳米多晶材料通常定义为晶粒尺寸在IOOnm以下的材料，如纳米多晶金属、纳米 薄膜和纳米多层膜等。其中，纳米多层膜在实际生活中应用广泛。以微机电系统为例，随着 器件小型化的要求不断提高，材料偏向于高密集度、高效率和低能耗的发展趋势。纳米多层 膜材料可以作为一种新的结构材料使用，还必须要求其具有一定的塑性和断裂韧性，以保 证使用的安全性。金属纳米多层膜材料具有高强度、高硬度，但由于纳米多层膜的特征尺寸 处在纳米量级，已有的文献表明，纳米金属多层膜材料的塑性被强烈的限制。
[0003] 断裂韧性是描述材料抵抗裂纹扩展能力的力学参量，与材料的可靠性相关，是脆 性多层膜材料重要的力学性能之一。由于断裂韧性在工程中的材料设计密切相关，如何能 方便准确的评价多层膜材料的断裂韧性成为设计微观结构敏感性材料的巨大挑战。在多层 膜材料体系中，最主要的断裂韧性测试方法是单轴拉伸法。然而，对于薄膜体系，拉伸法的 实验结果很容易受到基底的影响，排除基底影响的数据处理过程又十分复杂，测量误差较 大，实验成功率较低；对于剥离掉基底的自由膜拉伸，由于薄膜尺寸的原因样品准备过程比 较困难，同时实验过程要求的精度过高，稍有差池就难以保证加载力方向与膜面平行，使得 受力不均匀。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种评价Cu系脆性金属纳米 多层膜材料断裂韧性的方法，能够解决拉伸法误差较大，自由膜拉伸法实验样品准备比较 困难的问题。
[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0006] 这种评价Cu系脆性金属纳米多层膜材料断裂韧性的方法，采用纳米压痕法，以层 片状薄膜试样作为测试样品，采用Berkovich三棱锥金刚石压头进行加载试验；压入试验 结束后，采用扫描电子显微镜观察压痕形貌，并侧得径向裂纹的长度c之后，利用下述公式 (1)计算金属多层膜材料的断裂韧性Krc;
【主权项】
1. 一种评价Cu系脆性金属纳米多层膜材料断裂韧性的方法，其特征在于，采用纳米压 痕法，以层片状薄膜试样作为测试样品，采用Berkovich三棱锥金刚石压头进行加载试验； 压入试验结束后，采用扫描电子显微镜观察压痕形貌，并侧得径向裂纹的长度c之后，利用 下述公式（1)计算金属多层膜材料的断裂韧性K k;
(1)； 其中E，H，P分别是薄膜的弹性模量，硬度和实验测得的最大载荷，C是表面径向裂纹的 长度；ξ是一个与材料无关但与压头几何外形相关的无量纲常数；Φ是与裂纹几何外形相 关的常数；％是薄膜的残余应力。
2. 根据权利要求1所述的评价Cu系脆性金属纳米多层膜材料断裂韧性的方法，其特征 在于，径向裂纹的长度c为压痕中心到裂纹尖端的距离。
3. 根据权利要求1所述的评价Cu系脆性金属纳米多层膜材料断裂韧性的方法，其特征 在于，金属纳米多层薄膜材料是通过磁控溅射镀膜，电沉积镀膜或者化学气相沉积；金属纳 米多层薄膜材料的单层厚度控制在IOOnm以下。
4. 根据权利要求1所述的评价Cu系脆性金属纳米多层膜材料断裂韧性的方法，其特征 在于，所述层片状薄膜试样为5 X 5 X 5mm3,上下左右互相平行。
5. 根据权利要求1所述的评价Cu系脆性金属纳米多层膜材料断裂韧性的方法，其特征 在于，测薄膜试样残余应力的试验装置为应力薄膜测试仪。
6. 根据权利要求1或5所述的评价Cu系脆性金属纳米多层膜材料断裂韧性的方法，其 特征在于，控制应变速率为0. 2s-1，加载过程中载荷，弹性模量和硬度需要精确测量。
【专利摘要】本发明公开了一种评价Cu系脆性金属纳米多层膜材料断裂韧性的方法，该方法采用纳米压痕法，以层片状薄膜试样作为测试样品，采用Berkovich三棱锥金刚石压头进行加载试验；压入试验结束后,采用扫描电子显微镜观察压痕形貌，测量在加载结束后压痕表面尖端径向裂纹的长度，即可计算出金属纳米多层膜材料的断裂韧性。本发明可以简单、方便、快捷地评价纳米多层膜的断裂韧性，解决单轴拉伸法获得纳米多层膜薄膜准备实验样品比较困难和误差大的问题。
【IPC分类】G01N3-28
【公开号】CN104677753
【申请号】CN201510043894
【发明人】黄平, 周青, 王飞, 徐可为
【申请人】西安交通大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年1月28日