[发明专利]一种评价Cu系脆性金属纳米多层膜材料断裂韧性的方法

说明书

技术领域

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

纳米多晶材料通常定义为晶粒尺寸在100nm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。

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

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。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

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K_IC；

KIC=ξ(EH)1/2Pc3/2±ψσrc1/2---(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；ψ是与裂纹几何外形相关的常数；σ_r是薄膜的残余应力。

进一步，径向裂纹的长度c为压痕中心到裂纹尖端的距离。

进一步，以上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100nm以下。

进一步，以上所述层片状薄膜试样为5×5×5mm³，上下左右互相平行。

进一步，以上测薄膜试样残余应力的试验装置为应力薄膜测试仪。

上述控制应变速率为0.2s-¹,加载过程中载荷，弹性模量和硬度需要精确测量。

本发明具有以下有益效果：

1.测试样品准备简单

本发明所需样品规格5×5×5mm³的层片状薄膜样品，仅需金刚石刀从完整薄膜材料上切下一小片尺寸用于实验测试，对样品损伤低。

2.试验方法简单