薄膜力学性能资料
薄膜力学性能解析
19
二、残余应力的测量
1. Stoney公式
在薄膜残余应力的作用下，基底会发生挠曲，这
种变形尽管很微小，但通过激光干涉仪或者表面轮廓
仪，能够测量到挠曲的曲率半径。基底挠曲的程度反
映了薄膜残余应力的大小，Stoney给出了二者之间的
3
分类
脆性薄膜
按
脆性基底
力
学
性
质 分
脆性薄膜
类
韧性基底
韧性薄膜 脆性基底
韧性薄膜 韧性基底
4
4.1 薄膜的弹性性能
一、薄膜的弹性常数
弹性模量是材料最基本的力学性能参之一，由于 薄膜的某些本质的不同之处，其弹性模量可能完全不 同于同组分的大块材料。
5
三点弯曲
如图所示，加载和挠度的测量均在两支点中心位置，
2
y
2bdy
hs 2
hs 2h f
I f y2bdy
hs 2
(4.3)
实验中测出载荷增量与中心挠度增量的关系曲线（近似 线性），求出其斜率，用(4.1)式求出薄板的抗弯刚度，若基 体弹性模量已知，则利用(4.2)式可求得薄膜的弹性模量。
7
压痕法
纳米压痕技术可用以测定薄膜的硬度、弹性模量以
及薄膜的蠕变行为等，其理论基础是Sneddon关于轴
详细推导过程见流程图2。
15
表4.1 式(4.21)中对应于hg /R 的系数
16
17
图2 根据p-h 曲线确定应力－应变关系的流程图
4.2 薄膜的残余应力
一、残余应力的来源
通常认为，薄膜中的残余应力分为热应力和内应力两种 。
薄膜材料物理-薄膜的力学性质
塑性变形机制
屈服强度是描述材料抵抗塑性变形能力的物理量，当外力达到屈服强度时，材料开始发生不可逆的塑性变形。
应力-应变曲线是描述材料在受力过程中应力与应变关系的曲线，通过该曲线可以确定材料的弹性模量和屈服强度等力学性能参数。
屈服强度与应力-应变曲线
应力-应变曲线
屈服强度
塑性形变对薄膜物理性能的影响
断裂表面形貌与机理
温度对薄膜的力学性能产生影响，低温下材料脆性增大，高温下材料韧性增强。
温度
湿度
加载速率
湿度对薄膜材料的力学性能产生影响，湿度过高可能导致材料吸湿膨胀，降低力学性能。
加载速率越快，材料吸收的能量越少，断裂强度越低。
03
02
01
பைடு நூலகம்
环境因素对薄膜断裂性质的影响
05
薄膜的疲劳性质
薄膜在循环应力作用下，经过一段时间后发生断裂的现象。
屈服强度
断裂强度是描述材料在受到外力作用时发生断裂行为的应力值，对于薄膜材料，其断裂强度也是衡量其力学性能的重要参数之一。
断裂强度
薄膜的力学性能参数
02
薄膜的弹性性质
弹性模量
是指材料在受到外力作用时，单位面积上产生的正应力与应变之比，是衡量材料抵抗弹性变形能力的物理量。对于薄膜材料，其弹性模量决定了材料在受力时的刚度和变形程度。
疲劳现象
循环应力导致薄膜内部产生微裂纹，裂纹逐渐扩展导致薄膜断裂。
疲劳机理
循环应力的幅值、频率、温度、薄膜材料的性质等。
影响因素
疲劳现象与机理
疲劳寿命预测与实验验证
疲劳寿命预测
基于疲劳裂纹扩展速率和应力强度因子幅值，预测薄膜的疲劳寿命。
实验验证
通过实验测试薄膜的疲劳寿命，与预测结果进行对比，评估预测模型的准确性。
聚酰亚胺薄膜泊松比
聚酰亚胺薄膜泊松比
聚酰亚胺薄膜是一种具有广泛应用的高性能材料，其泊松比是描述其力学性能的重要参数之一。
泊松比代表了材料在受力时的体积变形程度，即在拉伸或压缩过程中，材料在横向收缩或伸展的程度。
对于聚酰亚胺薄膜这样的高分子材料而言，泊松比一般较小，通常在0.2左右。
聚酰亚胺薄膜的低泊松比使其具有一些独特的性能。
首先，它具有较高的强度和刚度，能够承受较大的拉伸应力而不易发生破裂。
其次，由于泊松比较小，聚酰亚胺薄膜在受力时不易发生体积变化，具有较好的维形性能。
这使得它在一些特定领域得到了广泛的应用。
聚酰亚胺薄膜的低泊松比使其在电子领域具有重要的应用价值。
例如，在柔性电子器件中，聚酰亚胺薄膜可以作为衬底材料，用于制备柔性显示屏和可弯曲电路板。
其低泊松比能够有效减小由于机械弯曲引起的电子元件的应力集中，从而提高器件的可靠性和寿命。
聚酰亚胺薄膜还在光学领域具有广泛的应用。
其低泊松比使其能够抵抗由于温度变化引起的应力，从而保持光学元件的稳定性。
例如，在高分辨率显微镜中，聚酰亚胺薄膜可以作为透镜材料，具有优异的抗应力性能和光学透明性，能够提供清晰的成像效果。
聚酰亚胺薄膜还在航空航天、医疗器械等领域得到广泛应用。
其低泊松比和优异的机械性能使其能够承受复杂的应力环境，保证设备
的可靠性和稳定性。
聚酰亚胺薄膜的泊松比是其重要的力学性能参数之一。
其低泊松比使其具有较高的强度、刚度和维形性能，适用于各种领域的应用。
在电子、光学、航空航天等领域，聚酰亚胺薄膜发挥着重要的作用，为各种高性能器件和设备的制备提供了优良的材料选择。
薄膜材料的力学行为与性能优化
薄膜材料的力学行为与性能优化薄膜材料是一种在工业和科学研究中广泛应用的材料，具有独特的力学行为和性能。
力学行为是指材料在外力作用下的变形和破坏规律，而性能则是指材料在特定条件下的使用效果和可靠性。
本文将探讨薄膜材料的力学行为以及如何优化其性能。
首先，薄膜材料的力学行为与其厚度密切相关。
薄膜材料由于其厚度较小，表面积较大，因此在外力作用下更容易发生变形和破坏。
例如，金属薄膜在受到拉伸力时，由于其原子间距较大，容易出现滑移和塑性变形，导致薄膜的延展性较好。
而陶瓷薄膜则由于其原子间距较小，容易出现断裂和脆性破坏。
因此，针对不同类型的薄膜材料，需要采取不同的力学行为优化策略，以提高其力学性能。
其次，薄膜材料的力学行为还与其组织结构和晶体结构密切相关。
薄膜材料的组织结构可以通过控制制备工艺来调控，例如沉积温度、沉积速率等。
晶体结构则可以通过控制材料的成分和晶格缺陷来调控。
通过优化组织结构和晶体结构，可以改变薄膜材料的晶界强化效应、位错强化效应等，从而提高其力学性能。
例如，通过控制沉积温度和沉积速率，可以得到具有较高晶界密度和较小晶粒尺寸的薄膜材料，从而提高其抗拉强度和硬度。
此外，薄膜材料的力学行为还与其表面处理和界面结合方式密切相关。
薄膜材料的表面处理可以通过化学处理、离子注入等方法来实现。
界面结合方式可以通过选择合适的衬底材料、控制沉积工艺等来实现。
通过优化表面处理和界面结合方式，可以改善薄膜材料的界面结合强度和界面应力传递效果，从而提高其力学性能。
例如，通过在薄膜材料表面形成一层氧化膜，可以提高其抗腐蚀性能和界面结合强度。
最后，薄膜材料的性能优化还需要考虑其力学行为与其他性能指标的综合关系。
例如，薄膜材料的力学性能与其光学性能、电学性能等密切相关。
在实际应用中，需要综合考虑薄膜材料的各项性能指标，以满足特定的使用需求。
例如，在太阳能电池中，需要选择具有较高光吸收率和较好光电转换效率的薄膜材料，以提高太阳能的利用效率。
ITO薄膜性能及制成技术的发展
ITO薄膜性能及制成技术的发展ITO薄膜，即氧化铟锡（indium tin oxide），是一种广泛应用于电子器件、光电器件和显示器件等领域的透明导电薄膜材料。
随着电子产品和光电器件的快速发展，ITO薄膜的性能和制成技术也在不断改进和发展。
一、ITO薄膜的性能改进：1.透明性能：ITO薄膜具有很好的透明性，可以使光线透过材料而不受太大影响。
随着技术的进步，ITO薄膜的透明度得到了显著提高，目前常见的ITO薄膜透明度可达到90%以上。
2. 导电性能：ITO薄膜具有良好的导电性能，可用于制作导电膜、电极、传感器等。
随着研究的深入，不仅提高了ITO薄膜的导电性，使其电阻率降低到了10-4 Ω·cm以下，而且还改善了薄膜的稳定性和可靠性。
3.光学性能：ITO薄膜不仅具有透明性，还具有一定的光学性能，如折射率和反射率。
通过调整材料成分和制备工艺参数，可以改变ITO薄膜的折射率和反射率，以满足具体的应用需求。
4.力学性能：ITO薄膜的力学性能直接影响其耐用性和可靠性。
随着研究的深入，研究人员提出了一些改善ITO薄膜力学性能的方法，如控制薄膜的晶体结构和晶界形貌，以提高其硬度和耐磨性。
二、ITO薄膜的制成技术发展：1.真空蒸发法：真空蒸发法是一种常用的制备ITO薄膜的方法。
通过在真空环境下加热ITO靶材，使其蒸发并沉积到基底上形成薄膜。
该方法操作简单、成本较低，但对于大面积均匀性要求较高。
2.磁控溅射法：磁控溅射法是一种利用靶材表面离子轰击溅射出材料并沉积到基底上的方法。
通过控制溅射时间、功率和沉积温度等参数，可以得到具有不同性能的ITO薄膜。
磁控溅射法能够得到高质量、均匀性好的薄膜，但设备较为复杂、成本较高。
3.溶胶凝胶法：溶胶凝胶法是一种通过溶解或胶化ITO前驱体，然后沉积到基底上并经过热处理得到薄膜的方法。
该方法具有工艺灵活、适用于大面积薄膜制备的优点，同时还可以通过添加掺杂剂来调控薄膜的性能。
8 薄膜力学性能
薄膜力学性能
沈杰 复旦大学材料科学系
薄膜力学性能
附着力 薄膜厚度一般小于1微米，本身的机械强度导致其无法单独存在， 总要附着在各种基片上。 薄膜与基片之间的附着性能直接影响到薄膜的各种性能。 附着性差，薄膜无法使用。 应力 在制作过程中，薄膜结构受到工艺条件影响很大，薄膜内部因此 而产生一定的应力。 基片材料与薄膜材料之间热膨胀系数不同，也会使薄膜产生应力。 过大的内应力将使薄膜卷曲和开裂，导致失效。 硬度
复旦大学材料科学系
薄膜材料与器件
本征应力
热应力 本征应力：薄膜形成过程中由于缺陷等原因而引起的内应力。 本征应力与薄膜厚度有关。在薄膜厚度很薄时(10nm以下) ，构成薄膜 的小岛互不相连，即使相连也呈网状结构，此时的内应力较小。随着 膜厚的增加，小岛相互连接，由于小岛之间晶格排列的差异以及小孔 洞的存在，使内应力迅速增大，并出现最大值。膜厚进一步增加，并 形成连续膜时，膜中不再有小孔洞存在，此时应力减小并趋于稳定值。
复旦大学材料科学系
薄膜-基片界面
简单附着 (突变界面 )：薄膜与基片之间存在清 楚的分界面，相互作用为范德瓦尔斯力 扩散附着 (扩散界面 )：在薄膜和基片之间通过 基片加热、离子注入、离子轰击等方法实现原 子的互扩散，形成一个渐变界面，使薄膜与基 片的接触面积明显增加，附着力相应增加。 中间层附着 (复合界面 )：薄膜与基片之间形成 化合物中间层，薄膜通过中间层与基片形成牢 固的附着。 宏观效应附着： 机械锁合：基片表面的微观的凹凸、微孔 或微裂缝。在沉积薄膜时，部分原子进入 凹凸之中或微孔、微裂缝中，增加附着力。 双电层吸引：两种功函数不同的材料互相 接触时会发生电子转移，在界面两边聚集 起电荷，形成双电层，具有静电吸引能。 复旦大学材料科学系
塑料薄膜力学性能检测标准有哪些塑料薄膜力学性能检测方法汇总
塑料薄膜力学性能检测标准有哪些塑料薄膜力学性能检测方法汇总塑料薄膜被广泛应用在各种包装材料当中，不同的包装需求，需要用到不同的材料。
塑料薄膜的力学性能是衡量包装在生产、运输、货架展示、使用等环节对内容物实施保护的基础指标，一般包括：抗拉强度与伸长率、复合膜剥离强度、热合强度、耐穿刺性能、耐冲击性能、耐撕裂性能、抗揉搓性能、耐压性能等指标。
检测橡塑材料检测实验室可各类塑料薄膜力学性能检测服务。
作为第三方检测中心，机构拥有CMA、CNAS检测资质，检测设备齐全、数据科学可靠。
塑料力学性能：拉伸性能塑料的拉伸性能试验包括拉伸强度、拉伸断裂应力、拉伸屈服应力、断裂伸长率等试验。
塑料拉伸性能试验的方法国家标准有几个，适用于不同的塑料拉伸性能试验。
GB/T 1040－1992 《塑料拉伸性能试验方法》一般适用于热塑性、热固性材料，这些材料包括填充和纤维增强的塑料材料以及塑料制品。
适用于厚度大于1 mm的材料。
GB/T13022－1991《塑料薄膜拉伸性能试验方法》是等效采用国际标准ISO1184－1983《塑料薄膜拉伸性能的测定》。
适用于塑料薄膜和厚度小于1mm 的片材，该方法不适用于增强薄膜、微孔片材、微孔膜的拉伸性能测试。
以上两个标准中分别规定了几种不同形状的试样，和拉伸速度，可根据不同产品情况进行选择。
如伸长率较大的材料，不宜采用太宽的试样；硬质材料和半硬质材料可选择较低的速度进行拉伸试验，软质材料选用较高的速度进行拉伸试验等等。
塑料力学性能：撕裂性能撕裂性能一般用来考核塑料薄膜和薄片及其它类似塑料材料抗撕裂的性能。
GB/T 16578－1996《塑料薄膜和薄片耐撕裂性能试验方法裤形撕裂法》是等效采用国际标准ISO 6383－1：1983《塑料－薄膜和薄片－耐撕裂性能的测定第1部分；裤形撕裂法》适用于厚度在1mm以下软质薄膜或片材。
试验方法是将长方形试样在中间预先切开一定长度的切口，像一条裤子。
故名裤形撕裂法。
3-第三讲--薄膜材料物理--第二章薄膜的力学性质
⑥淀积气氛对薄膜附着力的影响 淀积初期→氧和水蒸气分压→氧化膜中间层→附着↑ 淀积初期→氧和水蒸气分压→氧化膜中间层→附着↑
第三讲 第二章 薄膜的力学性质
§2.2 附着力的测试方法 机械方法数种如下： 机械方法数种如下： 条带法（剥离法）、引拉法（直接法）、 ）、引拉法 条带法（剥离法）、引拉法（直接法）、 划痕法、 推倒法、摩擦法、扭曲法、 划痕法、 推倒法、摩擦法、扭曲法、 离心法、超声法、振动法等。 离心法、超声法、振动法等。 2.2.1 条带法 三种可能： 三种可能： ①薄膜随附着带全部从基片上剥离下来； 薄膜随附着带全部从基片上剥离下来； 仅部分剥离下来； ②仅部分剥离下来； 未剥离→说明薄膜附着好→ ③未剥离→说明薄膜附着好→定性测量
第三讲 第二章 薄膜的力学性质
扩散附着—由两个固体间相互扩散或溶解而导致 ②扩散附着 由两个固体间相互扩散或溶解而导致 在薄膜和基片间形成一个渐变界面。 在薄膜和基片间形成一个渐变界面。 实现扩散方法：基片加热法、离子注入法、 实现扩散方法：基片加热法、离子注入法、 离子轰击法、电场吸引法。 离子轰击法、电场吸引法。 基片加热法：加温曲线（工艺） 基片加热法：加温曲线（工艺） 离子轰击法：先在基片上淀积一层薄20 30nm） 20离子轰击法：先在基片上淀积一层薄20-30nm） 金属膜，再用高能（100KeV） 金属膜，再用高能（100KeV）氩离子对 它进行轰击 实现扩散 再镀膜 电场吸引法： 电场吸引法：在基片背面镀上导体 加电压 吸离子 溅射镀膜比蒸发镀膜附着牢， 溅射镀膜比蒸发镀膜附着牢，因为溅射粒子动 扩散。 能大 扩散。
r 2 − a2
π r2P −W
•单位面积的剥离能 单位面积的剥离能: 单位面积的剥离能
E=
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
th f TsTdT
(4.22)
根据Hooke’s定律，应力为
th
E
1 f
th
(4.23)
18
薄膜—基底体系中由于晶格常数失配在薄膜中产生的内 应力由Hoffman的晶界松弛模型得到
i
1
Ef
f
xa a
1
Ef
f
Lg
(4.24)
式中 a为薄膜材料为无残余应力时的晶格常数， x 为a由于
详细推导过程见流程图2。
15
表4.1 式(4.21)中对应于hg /R 的系数
16
17
图2 根据p-h 曲线确定应力－应变关系的流程图
4.2 薄膜的残余应力
一、残余应力的来源
通常认为，薄膜中的残余应力分为热应力和内应力两种 。
热应力是由于薄膜和基底材料热膨胀系数的差异引起的， 所以也称为热失配应力。热应力对应的弹性应变为
3
分类
脆性薄膜
按
脆性基底
力
学
性
质 分
脆性基底
韧性薄膜 韧性基底
4
4.1 薄膜的弹性性能
一、薄膜的弹性常数
弹性模量是材料最基本的力学性能参之一，由于 薄膜的某些本质的不同之处，其弹性模量可能完全不 同于同组分的大块材料。
5
三点弯曲
如图所示，加载和挠度的测量均在两支点中心位置，
对称压头载荷与压头深度之间的弹性解析分析，其结果
为
S dP dh
2
Er
A
(4.4)
这里，h为压头的纵向位移，S dP为d试h 验载荷曲线的薄
膜材料刚度， 是压A头的接触面积。
8
Er 为约化弹性模量
1
1
2 f
1i2
(4.5)
Er
Ef
Ei
其中的 E f、 E、i 、 f 分别 i为被测薄膜和压头的弹性模
量和泊松比。被测试材料的硬度值定义为
H Pmax A
(4.6)
当 A、 dP和dh 确P定ma后x ，可利用式(4.4)、(4.5)和(4.6)分别
求出薄膜的弹性模量和硬度值。
9
二、薄膜的应力应变关系
1. 拉伸法
基体和薄膜的应力应变关系均满足：
s s
8Gs 1
s
s
s
Fs s
Ss
f f
被满足，实际情况下薄膜和基底厚度相差非常大。 (2) E f 即E基s 底与薄膜的弹性模量相近。 (3) 基底材料是均质的、各向同性的、线弹性的，且基底
y
1
E
y
f
n
(4.14)
式中， 是f 超过屈服应变 的y 总的有效应变。 表示r 应力 ，定义为 时 的f 流动r 应力， 表示应变r 。
12
图1 幂指数应力－应变关系图
如何将压痕曲线与应力应变关系联系起来？
13
在压痕测试过程中，加载载荷不断增大，一旦材料发生
屈服，外载 P可视为下列独立参数的函数：材料的杨氏模 量 、E泊松比 ,压头的杨氏模量 、泊Ei松比 ， 屈i 服强度
薄膜和基底晶格常数失配引起的薄膜晶格常数的变化， 为 晶界松弛距离， 为Lg晶体尺寸。
19
二、残余应力的测量
1. Stoney公式
在薄膜残余应力的作用下，基底会发生挠曲，这
种变形尽管很微小，但通过激光干涉仪或者表面轮廓
仪，能够测量到挠曲的曲率半径。基底挠曲的程度反
映了薄膜残余应力的大小，Stoney给出了二者之间的
关系
f
E
1 s
t
2 s
6rt f
(4.26)
式中下标 f和 分s 别对应于薄膜和基底， 为t 厚度， 为r曲
率半径， 和 E分别是基底的弹性模量和泊松比。
20
Stoney公式广泛应用于计算薄膜的残余应力，但使用时 应明确该公式的适用范围， Stoney公式采取了如下假 设 (1) t f 即t薄s 膜厚度远小于基低厚度。这一条件通常都能
第四章 薄膜力学性能部分
1
第四章 薄膜的力学性能
4.1 薄膜的弹性性能 4.2 薄膜的残余应力 4.3 薄膜的断裂韧性 4.4 薄膜的硬度 4.5 薄膜的摩擦、磨损和磨蚀
2
定义
用物理的、化学的、或者其他方法，在 金属或非金属基体表面形成一层具有一定厚 度(小于10)m的不同于基体材料且具有一定的 强化、防护或特殊功能的覆盖层。
s f
根据(4.7)、(4.8)、(4.9)和(4.10)，得到
(4.10)
F sSs f S f
f
F
sSs
Sf
(4.11) (4.12) 11
2. 压痕法
对于大多数纯金属和合金材料来说，它们本身服从
幂指数强化模型。
E K
n
y y
(4.13)
当 时y，流动应力也可表示成如下形式
2
y
2bdy
hs 2
hs 2h f
I f y2bdy
hs 2
(4.3)
实验中测出载荷增量与中心挠度增量的关系曲线（近似 线性），求出其斜率，用(4.1)式求出薄板的抗弯刚度，若基 体弹性模量已知，则利用(4.2)式可求得薄膜的弹性模量。
7
压痕法
纳米压痕技术可用以测定薄膜的硬度、弹性模量以
及薄膜的蠕变行为等，其理论基础是Sneddon关于轴
两支点的跨距为 ，载L荷增量 与中心F挠度增量
的
关系为
z
hs 2
hf
z hs
2
F 48 S
L3
(4.1)
z0
S 为薄板抗弯刚度。
z hs
L
2
6
单面镀膜的膜基复合薄板的抗弯刚度 S为
S EsIs E f I f
(4.2)
式中I和s I分f 别是基体部分和薄膜部分对 轴z的惯性矩，
Is
hs
对(4.17)式进行量纲分析，得
P
r
h
2
1
E
r r
, n,
h R
给定 h和 R，式(4.18)可化为
Pg
r
hg
2
1
Er
r
, n
无量纲函数的表达式为
(4.18) (4.19)
1
E
r r
C1
ln
3
E
r r
C2
ln
2
Er
r
C3
ln
E
r r
C4
(4.21)
式中，系数C1 ，C2 ，C3 ，C4 是与hg /R 值相关量，详见表4.1。
8G f f 1 f
f
Ff f
Sf
(4.7) (4.8)
其中，F和 分S 别表示外加载荷和横截面积，下标 和 f
s 分别表示基体和薄膜的相关量。
10
基体和薄膜作为一个整体的试件在外加载荷 F作用下，分
别加载在基体和薄膜上
F Fs F f
(4.9)
在拉伸过程中，基体和薄膜没有剥落前，两者的变形一致
，硬化指 数y ，压痕深度n以及压头半径 。故 可表示R 为
P
P f E, v, Ei , vi , y , n, R, h
(4.15)
用约化杨氏模量 E即r
简化上式，得
亦可写为
P f Er , y , n, R, h
P f Er , r , n, R, h
(4.16) (4.17)
14