镀膜的力学性能
PVDF压电薄膜的力学性能和压电效应实验研究
华中科技大学硕士学位论文摘要PVDF（Polyvinylidene fluoride，聚偏氟乙烯）压电薄膜作为一种新型高分子压电材料，由其制成的传感器具有灵敏度高、频带宽、声阻抗低、电压输出高和可加工成特定形状等优点，被广泛用于各个领域。
本文对镀银PVDF压电薄膜的基本力学性能，不同温度场下的振动特性和不同厚度薄膜的压电效应进行了实验研究与分析，具体研究内容及结论如下：首先，选用了厚度分别为40μm、64μm和122μm（上下表面镀银层均为6μm）的PVDF压电薄膜，利用纤维拉伸试验机对其平行分子链方向（1方向）和垂直分子链方向（2方向）分别进行拉伸力学性能测试，获得了相应的应力-应变曲线。
试验结果表明：在弹性阶段，两个方向的力学性能较为接近，但进入塑性阶段，两个方向的力学性能差异明显，表现出强烈的各向异性。
其次，制作了厚度分别为40μm、64μm和122μm的PVDF悬臂梁试样，利用非接触式振动测试系统，测试了其在不同温度场下的振动特性，并获得了其一阶固有频率。
实验结果表明：PVDF悬臂梁的一阶固有频率随着温度增加而减小，在初始升温阶段，频率值下降较为缓慢，而当温度升高到一定值时，频率值下降较快，同时，PVDF压电薄膜厚度越小，其固有频率受温度影响越大。
最后，基于非接触式振动测试系统，对PVDF压电薄膜的压电效应进行了实验研究。
三种不同厚度PVDF悬臂板压电效应实验结果表明：电压-频率曲线与幅频响应曲线具有很好的一致性，且输出电压峰值对应的激励频率与PVDF悬臂板共振频率一致，表明PVDF压电传感器输出电压与输入应变具有很好的线性关系，适宜于应变测量，且厚度较小的PVDF压电薄膜灵敏度较高。
本文对PVDF压电薄膜的基本性能进行了实验研究与分析，为PVDF压电传感器的设计与优化提供基础数据支撑，具有重要的工程应用价值。
关键词：PVDF压电薄膜；拉伸力学性能；振动特性；压电效应华中科技大学硕士学位论文AbstractAs a novel piezoelectric polymer material, the sensors made of PVDF(polyvinylidene fluoride) piezoelectric film have the advantages of high sensitivity, wide frequency band, low acoustic impedance, high voltage output, and can be processed into specific shapes,which are widely applied in various fields. In this paper, the basic mechanical properties, the vibration characteristics under different temperature fields, and the piezoelectric effect of silver-coated PVDF piezoelectric films were studied experimentally and analyzed. The specific research contents and conclusions are as follows: First, the PVDF piezoelectric films with different thickness of 40 μm, 64 μm, and 122 μm (the thickness of coated silver on the upper and lower surfaces is 6μm) were prepared. The tensile samples of PVDF piezoelectric film were tested in two directions using a fiber tensile tester,i.e.,parallel (1 direction) and perpendicular (2 direction) to the molecular chains, and the corresponding stress-strain curves were obtained. The experimental results show that: in the elastic stage, the mechanical properties of the two directions are practically identical,however ,in the plastic stage, the mechanical properties of the two directions are significantly different, showing a strong anisotropy.Next, PVDF cantilever specimens with thicknesses of 40μm, 64μm and 122μm were prepared respectively. The non-contact vibration test system was used to test the vibration characteristics of the PVDF cantilever beam under different temperature fields, and its first-order natural frequency was obtained. The experimental results show that the first-order natural frequency of the PVDF cantilever beam decreases with increasing temperature. In the initial heating stage, the frequency decreases more slowly, and when the temperature rises to a certain degree, it declines rapidly.Besides ,the smaller the PVDF film thickness is, the greater its natural frequency is affected by the temperature.Finally, based on the non-contact vibration test system, the piezoelectric effect of PVDF was investigated experimentally. The experimental results of three different thickness PVDF cantilever plates show that the voltage-frequency curve is in good agreement with the amplitude-frequency response curve, and the excitation frequency corresponding to the peak output voltage is consistent with the resonance frequency of the华中科技大学硕士学位论文PVDF cantilever plate, indicating the sensor’s output voltage has a good linear relationship with the input strain and is suitable for strain measurement. In the same time ,the sensor made of smaller thickness has higher sensitivity.In this paper, the basic properties of PVDF piezoelectric films were experimentally researched and analyzed,which provides the basic data reference for the design and optimization of PVDF piezoelectric sensors and has much significance in engineering application.Keywords: PVDF piezoelectric films; Tensile mechanical properties; Vibration characteristics; Piezoelectric effect.华中科技大学硕士学位论文目录摘要 (I)Abstract (II)目录 (IV)1绪论 (1)1.1研究背景和意义 (1)1.2PVDF压电薄膜基本特性 (2)1.3PVDF传感器在不同应用领域国内外研究现状 (5)1.4本文主要研究内容及安排 (13)2PVDF压电薄膜力学性能实验研究 (15)2.1PVDF压电薄膜表面形貌表征 (15)2.2PVDF压电薄膜拉伸力学性能 (16)2.3实验结果及分析 (18)2.4本章小结 (22)3不同温度场下PVDF悬臂梁振动特性实验研究 (23)3.1悬臂梁固有频率 (23)3.2PVDF悬臂梁振动测试实验 (24)3.3实验结果与讨论 (27)3.4本章小结 (33)4PVDF悬臂板压电效应实验研究 (34)4.1PVDF压电传感器信号调理电路 (34)4.2PVDF悬臂板压电效应实验 (37)华中科技大学硕士学位论文4.3实验结果与分析 (40)4.4本章小结 (46)5总结与展望 (47)5.1总结 (47)5.2展望 (48)致谢 (49)参考文献 (51)华中科技大学硕士学位论文1 绪论1.1 研究背景和意义在日常生产活动中，结构的振动是一个很普遍的问题。
pvd镀膜孔隙率
PVD镀膜孔隙率1. 介绍PVD（Physical Vapor Deposition）镀膜是一种常用的表面处理技术，通过将固态材料蒸发或溅射到基材表面，形成一层薄膜。
PVD镀膜具有许多优点，如提高硬度、耐磨性和耐腐蚀性，改善外观等。
然而，PVD镀膜的孔隙率是一个重要的性能指标，本文将对其进行深入探讨。
2. PVD镀膜的孔隙率意义PVD镀膜的孔隙率是指薄膜中存在的孔隙或空隙所占的比例。
孔隙率对薄膜的性能有着重要影响。
首先，孔隙率直接影响薄膜的致密性和密封性。
高孔隙率会导致薄膜容易渗透气体和液体，降低其防腐蚀性能。
其次，孔隙率还会影响薄膜的机械性能，如硬度和抗剥离性能。
因此，减小PVD镀膜的孔隙率对于提高其性能至关重要。
3. 影响PVD镀膜孔隙率的因素3.1 材料选择PVD镀膜的材料选择对孔隙率有着重要影响。
一些材料具有较高的蒸发或溅射效率，可以形成致密的薄膜，从而降低孔隙率。
此外，选择适当的基材也可以降低薄膜的孔隙率。
3.2 工艺参数PVD镀膜的工艺参数对孔隙率有着直接的影响。
例如，蒸发或溅射的功率、温度和压力等参数会影响薄膜的致密性和孔隙率。
合理选择这些参数可以降低孔隙率，提高薄膜的性能。
3.3 表面处理在进行PVD镀膜之前，对基材进行适当的表面处理可以降低薄膜的孔隙率。
表面处理可以清除基材表面的杂质和氧化物，提供一个更好的镀膜基底，有助于形成致密的薄膜。
3.4 沉积速率PVD镀膜的沉积速率也会影响薄膜的孔隙率。
较高的沉积速率可能会导致薄膜中的孔隙增加，从而使孔隙率升高。
因此，在选择沉积速率时需要权衡薄膜的性能和孔隙率。
4. 降低PVD镀膜孔隙率的方法4.1 优化工艺参数通过优化PVD镀膜的工艺参数，可以降低薄膜的孔隙率。
例如，调整蒸发或溅射的功率、温度和压力等参数，可以改善薄膜的致密性，减少孔隙的形成。
4.2 使用合适的材料选择适合的材料也是降低孔隙率的重要方法。
一些材料具有较高的密度和致密性，可以形成较低孔隙率的薄膜。
电弧离子镀TiN涂层陶瓷刀片的力学性能和界面结构
将 试 样 装 入镀 膜 室，接 通 电弧 电源，引 弧后 ．调 整 电流 为 ６Ａ，接 通试 样 负偏 压 电谭 ， ０ 坷整 电压 为 ５０ ，并 进行 Ｔ 离 子 轰击 １ｍｉ ０Ｖ ｉ ０ ｎ，并 进行 溅 射 清洗 ．然 后 通 入氮 气 ，控 制 氮气 分 压为 ０２ Ｐ ．￣ｌ ａ，工 件 负偏 压为 １０ ０Ｖ， 进 行 ＴＮ 涂 层 沉积 沉 积 时 间为 ４ｎ ｎ 沉积 ０￣３０ ｉ ５ｆ ｉ
３ 结果 和讨 论
３１ ． Ｔｉ 涂层 陶瓷 刀片 的 力学 性 能 Ｎ 为评 价 Ｔ Ｎ 涂 层对 陶瓷 刀 片 表面 改 性 的效 果 ，本研 究 比较 了加 涂 层 前后 刀 片 的抗 弯强 ｉ 度 和 Ｗｅ ｕｌ 数 ，如 图 １ 示 ．其 中 口表 示 试样 抗 弯强 度 ， Ｆ 表 示 断 裂 概 率 ，其 大 小为 ｉ ｌ模 ｂ 所
完 毕后 ，切 断 所有 电源 ，停止 通 氮气 ． ２３ 测 试 ． 采 用 三 点 弯 曲法 测量 陶 瓷 刀 片 涂 层 前 后 的抗 弯 强 度 ，分 别 使 用 １ ０个 试 样 ，加 载 速 率
０ ｉ ｎｎ ｎ ｆ ．用 Ｈ ｔｃｉ －２ ５ ｍ／ｉ ｉ ｈ Ｓ ５０型扫描 电子 显微镜 （Ｅ ． 观察 涂层前后 的表面形 貌和 断面 ａ Ｓ Ｘ） Ｉ 形貌 ； 采用 Ｄ ｍ ｘ２０ ／ ￣－４０型 ｘ 射线衍射仪 （Ｒ ） Ｘ Ｄ 对涂层试样 进行物相分析 ，扫描速度 为 ４／ ｉ 。ｒ ｎ，步 长 为 ０ ２ ，铜 靶 射 线 管工 作 电压 ４ｋ ａ ．。 ０ ０ Ｖ， 电流 １０ ０ｍＡ ；用 Ｃ ｍｅａＩ Ｆ型二 ａ ｒ ＭＳ６ 次 离 子 质 谱 仪 （Ｉ ） 析 膜 基 界面 元 素分 布 ． ＳＭＳ 分
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尼龙膜镀氧化铝的作用原理
尼龙膜镀氧化铝的作用原理
1. 在尼龙膜表面利用化学或物理气相沉积方法,镀覆一层薄膜氧化铝材料。
2. 氧化铝膜具有一定的隔水性能,可以提高尼龙膜的防水性能。
3. 氧化铝膜也具有一定机械强度,可以提高尼龙膜的机械性能。
4. 氧化铝膜可以阻挡氧气、CO2等气体分子通过,提升尼龙膜的阻气性。
5. 氧化铝膜可以提高尼龙膜的抗UV性能,延长使用寿命。
6. 氧化铝膜也具有一定的光泽度,可以使尼龙膜外观更具光泽。
7. 沉积的氧化铝膜层厚度和致密度会影响各项性能的提升效果。
8. 镀膜前需要对尼龙膜进行预处理,提高膜的粘附性。
简要概述了尼龙膜镀氧化铝的主要作用,实际应用中需要考虑更多工艺参数。
pvd镀膜检测标准
pvd镀膜检测标准PVD镀膜检测标准。
PVD镀膜技术是一种常用的表面处理技术，广泛应用于各种材料的表面改性和功能化。
PVD镀膜具有优异的耐磨、耐腐蚀、降摩擦等特性，因此在汽车零部件、工具刀具、航空航天等领域得到了广泛的应用。
然而，PVD镀膜的质量检测对于保证产品的质量和性能至关重要。
本文将介绍PVD镀膜检测的标准和方法，以便于相关行业从业人员更好地进行质量控制和产品评估。
一、PVD镀膜的常见缺陷。
PVD镀膜在生产过程中常常会出现一些缺陷，例如结合强度不足、气孔、裂纹、颗粒度不均匀等。
这些缺陷会影响镀膜的性能和使用寿命，因此需要进行严格的检测和评估。
二、PVD镀膜检测的标准。
1. 厚度检测，PVD镀膜的厚度是影响其性能的重要参数之一。
常用的检测方法包括X射线荧光法、拉曼光谱法和激光干涉法等。
这些方法可以准确地测量薄膜的厚度，并且具有高精度和高重复性。
2. 结合强度检测，PVD镀膜与基材的结合强度直接影响其使用性能。
常用的检测方法包括剥离试验、微观组织分析和拉伸试验等。
这些方法可以评估镀膜与基材之间的结合情况，从而判断其结合强度是否符合要求。
3. 成分分析，PVD镀膜的成分对其性能有着重要影响。
常用的成分分析方法包括能谱分析、X射线衍射分析和质谱分析等。
这些方法可以准确地分析镀膜的成分和相结构，为产品的质量控制提供重要依据。
4. 表面形貌检测，PVD镀膜的表面形貌直接影响其外观和性能。
常用的表面形貌检测方法包括扫描电镜、原子力显微镜和表面粗糙度仪等。
这些方法可以对镀膜的表面形貌进行直观的观测和分析，为产品的外观质量提供保障。
5. 功能性能检测，除了上述常规的检测指标外，PVD镀膜的功能性能也需要进行全面的评估。
例如耐磨性、耐腐蚀性、降摩擦性等功能性能可以通过相应的试验方法进行评定。
三、结语。
PVD镀膜的质量检测是保证产品质量和性能的重要环节，只有通过严格的检测和评估，才能确保镀膜产品的稳定性和可靠性。
射频磁控溅射沉积氧化铪薄膜纳米力学性能研究
射频磁控溅射沉积氧化铪薄膜纳米力学性能研究刘政【摘要】为了获得高硬度氧化铪薄膜的射频磁控溅射制备工艺条件,采用射频反应磁控溅射技术在单晶硅基底上了沉积 HfO2薄膜,采用正交实验分析了靶功率、靶-基距和氩氧气体质量流量比对薄膜纳米力学性能的影响规律,得到了最佳工艺参数.在相同靶功率和靶-基距条件下,系统地研究了氩氧气体质量变化对薄膜纳米力学性能和光学性能的影响规律,分别采用紫外可见红外分光光度计、椭偏仪、纳米压痕仪对薄膜性能进行了表征.结果表明:在不同A r/O2流量比下,所制备薄膜在1064 nm处的折射率和消光系数的变化与薄膜的纳米力学特性紧密相关.在较低O2流量条件下(A r/O2流量比为1/4),所制备薄膜的折射率、纳米硬度和弹性模量均偏小.当氩氧比增加至5:8时,薄膜的纳米硬度和弹性模量最大且薄膜消光系数最小,同时在可见区的透过率也最大.随着O2流量进一步减少,薄膜的折射率和光消光系数随之增大,但薄膜的纳米硬度和弹性模量随着O2流量减少而下降.%The purpose of this work is to obtain the optimal growth conditions of RF magnetron sputtered hafnium oxide films with high hardness.Thin films of HfO2are deposited on Si substrate by using RF reactive magnetron sputtering at room temperature.The influences of target sputtering power, target-substrate distance and the ratio of mass flow of argon and oxygen on optical and mechanical properties have been studied by orthogonal test and the optimum technical conditions are found. Moreover,the optical and nano-mechanical properties of HfO2thin films deposited at various Ar/O2 using the same deposition conditions are investigated.The films are characterized by using UV-Vis spectrophotometer,ellipsometer andnanoindentation,respectively.The result shows:The refractive index and extinction coefficient at wavelength of 1 064 nm of HfO2thin films are directly related to mechanical properties in a certain range of process parameters.With the sputtering power increasing,the refractive index increases and the optical band gap decreases,moreover,the nano-hardness and elastic modulus increase with the sputtering power increasing,strongly depended on the O2mass flow ratios. The refractive indexes,visible area transmittance nano-hardness and elastic modulus of the deposited film become lower at lower O2mass flow ratios(Ar: O2=1:4),but reach maximum value.On the other hand,it is also found that the refractive index and extinction coefficient of the HfO 2films increase with the Ar mass flow ratios.However,the nano-hardness and elastic modulus decrease withO2mass flow ratios decreasing.【期刊名称】《西安工业大学学报》【年(卷),期】2017(037)010【总页数】6页(P716-721)【关键词】反应磁控溅射;氧化钛薄膜;折射率;纳米硬度【作者】刘政【作者单位】中国科学院西安光学精密机械研究所,西安710119;飞秒光电科技(西安)有限公司,西安710119【正文语种】中文【中图分类】O484.1HfO2作为一种传统的高折射率光学材料，其广泛应用于光学膜系的制备，作为可见和红外光谱范围光学仪器的共用光学视窗的镀膜材料极具潜力[1-4].近年来，HfO2薄膜的高抗激光损伤阈值性能亦促使其在光学薄膜领域的应用前景更为广阔，文献[5]采用电子束蒸发制备的HfO2薄膜的最高激光损伤阈值可达20.07 J·cm-2，这使其在高折射率激光薄膜备选材料中极具竞争力.HfO2薄膜作为一种高介电常数材料(介电常数高)，对Si的导带偏移大于1 eV，可以在厚度减薄的情况下有效抑制隧穿电流的产生.同时，HfO2具有与Si接触良好的热力学稳定性和良好的晶格匹配特性，使其成为目前最有希望代替传统互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)栅极绝缘层材料SiO2的新型材料[6-8].无论是作为光学薄膜、激光薄膜还是其他功能薄膜，对HfO2薄膜的力学性能指标均提出了要求，一方面薄膜的力学性能与其薄膜生长结构、化学组分等紧密相关，通过表征其力学性能反映出对薄膜结构和质量的优劣[9]，另一方面，作为材料表面涂层，要求HfO2薄膜应该具备良好的力学特性稳定性[10].HfO2薄膜的性能与其制备手段有密切的联系.与溶胶-凝胶[1]、电子束蒸发[2]、化学气相沉积[3]和原子层沉积[4]等制备方法相比，磁控溅射法[11-12]制备的HfO2薄膜均匀性好，结合力强，硬度高.采用射频反应磁控溅射金属铪靶的方法能制备出纯度较高的HfO2薄膜，制备工艺较为稳定，适合工业化生产.本文通过工艺方法设计，获得影响薄膜纳米力学性能薄膜的主要参数，并详细分析了镀膜过程中氩氧比(体积比)、靶功率的变化对薄膜光学性能和力学性能的影响规律.1 实验方法与表征1.1 HfO2薄膜的制备和工艺方法在MSP-400B多功能磁控溅射系统上进行镀膜实验，该设备真空腔体尺寸为∅580 mm×420 mm，采用纯度为99.99%的直径为∅60 mm，厚度为5 mm金属铪靶，基片采用p型(111)单晶硅片(透过率实验在石英玻璃表面进行镀制)，镀膜前先在丙酮和乙醇中超声清洗10 min，采用去离子水冲洗后，以高纯氮风干.利用氩气(纯度99.999%)为工作气体，氧气(纯度99.999%)为反应气体，氩气流量控制在80 sccm，通过电动插板阀将工作气压控制在0.6 Pa.实验中薄膜厚度由沉积时间确定，均为10 min.拟定靶功率、靶基距和氩氧比作为正交实验的工艺因素，设计了三因素三水平的正交实验.正交实验参数及测量数据见表1.表1 HfO2薄膜正交实验因素水平表Tab.1 Factors and levels of orthogonal experiment for HfO2 thin films水平因素靶功率/W靶基距/cm氩氧流量化水平一1005．05∶8水平二1506．51∶1水平三2008．08∶51.2 HfO2薄膜的纳米硬度测量薄膜样品的硬度、弹性模量是通过安捷伦G200纳米压痕仪测试的，纳米压痕测试样品力学性能的方法基于Oliver-Pharr理论[13].力学性能测试实验采用连续刚度法(Continuous Stiffness Method，CSM)[14-17]，该方法通过对物体加载一个固有频率和振幅的简谐力，该简谐力可以用一维简谐振动模型描述，其接触刚度S由一维简谐振动模型[14]直接给出，表达式为(1)式中：Kf，Ks分别为加载框和支撑弹簧的韧度；m为压杆的质量；Fo、zo和w 为与设备相关的固定参数；α参数值由锁相放大器给出.某一时刻压头与样品的接触深度为(2)式中：ε为与压头形状有关的几何常量，实验中选择常用的Berkocich压头，其值为0.75；Pmax为该时刻的最大载荷;hmax为最大接触深度.随后计算出压头与样品的接触面积A，对于理想的Berkocich压头来说，其A值为(3)定义被测样品的硬度H为H=Pmax/A(4)计算约化模量Er(5)其中β为设备Berkocich压头的几何因子，其值为常量.根据约化模量计算样品的弹性模量E，即(6)式中：E和v分别为样品的弹性模量和泊松比；Ei和vi分别为压头的弹性模量和泊松比.由于薄膜本身相对于基底非常薄，故而必须在测量过程中避免基底效应.图1是纳米力学测试过程中，Berkocich压头的压入深度与HfO2薄膜纳米硬度和弹性模量数值变化的关系曲线.图1 Berkocich纳米压头压入深度与氧化铪薄膜纳米硬度和弹性模量数值变化关系曲线Fig.1 Penetration depth versus hardness and elastic modulus for HfO2 thin films by using Berkocich head由图1可知，在薄膜表面，由薄膜表面的高频面形误差造成测量结果离散性分布，不能获得准确的测量值，而随着压头的深入，测试曲线出现了一个平滑的平台区，之后薄膜的纳米硬度和弹性模量均随着压入深度的增大而增加，其硬度线性增大至基底硅片的硬度值(13.1 GPa)，显然，只有在压头压入的初始平台区位置选取测量值，才可能有效地避免基底材料的影响，通常压入深度需要在薄膜厚度的1/10～1/7范围内选取，本实验中，根据实际测试结果将薄膜硬度和弹性模量取值设定在薄膜厚度的14%～16%.本实验中所选用Berkovich压头顶端曲率半径为20 nm，测试时设定热漂移率为0.05 nm·s-1，应变速率为0.05 s-1，简谐力频率为45 Hz，振幅为2 nm，每个薄膜样品的压入深度均为500 nm.2 结果与讨论2.1 正交实验结果为了对比工艺参数对薄膜力学性能的影响，以薄膜的纳米硬度和弹性模量作为力学性能指标，同时，以薄膜在1 064 nm处的折射率为参考指标，薄膜的折射率采用美国M-2000UI型椭偏仪测试薄膜光学常数，之后采用Cauchy模型反演推导出薄膜的折射率曲线.折射率在一定程度上可以反映出薄膜的致密程度，与其力学性能相关.为了找出影响制备HfO2薄膜的纳米硬度、弹性模量及折射率变化的主要因素，由表2计算出薄膜各参数变化的极差表，其结果见表3.表2 HfO2薄膜正交实验数据表Tab.2 Test data of orthogonal experiment of HfO2 films实验编号因素靶功率/W靶基距/cmAr/O2流量比折射率(1064nm)硬度/GPa弹性模量/GPa1#1005．05：81．95289．0692．532#1006．51：11．92477．5186．983#1008．08：51．91726．6084．574#1505．01：11．95797．00114．485#1506．55：81．91127．8191．646#1508．08：51．91247．7786．277#2005．05：81．96289．43128．558#2006．58：51．93508．34105．899#2008．01：11．93618．44107．10表3 射频反应磁控溅射HfO2薄膜正交实验极差表Tab.3 Orthogonal experiment analysis results of HfO2 films参考指标水平靶功率靶基距Ar/O2流量比硬度/GPa水平一8．82309．48309．5000水平二8．52708．88708．6500水平三9．16308．60308．8200极差0．63600．88000．8500弹性模量/GPa水平一100．1200111．9400106．9900水平二97．460094．8400102．8500水平三101．840092．640089．5800极差1．720019．300017．4100折射率(1064nm)水平一1．93491．96781．9523水平二1．92721．92361．9396水平三1．95131．92191．9215极差0．02410．04590．0308由极差表可知，得出各指标最佳值的因素一致.最佳参数为：靶功率200 W，靶基距5.0 cm，氩氧流量比为5∶8，此时薄膜的折射率、纳米硬度和弹性模量均为给定范围内的最大值.通过极差分析可知，对薄膜力学和光学性能指标影响主次程度为靶基距>氩氧流量比>靶功率.而事实上，目前对磁控溅射沉积薄膜过程靶基距和靶功率影响规律认识较为一致，合适的靶基距是获得高性能薄膜的前提，而靶功率对溅射速率的影响至为关键，通常薄膜的沉积速率会随着靶功率的增大而提高[18]，从而使制备薄膜更为致密，力学性能更为优良.虽然，氩氧比是薄膜力学性能的次要因素，但是由于不同的氩氧比对薄膜结构和组分的形成更为重要，其变化最终会体现在薄膜的性能上，故而本文选定在最佳的靶基距和靶功率条件下，对不同氩氧比下薄膜力学性能的变化规律进行研究.2.2 氩氧比对HfO2薄膜硬度和弹性模量的影响图2为不同氩氧比下HfO2薄膜的硬度、弹性模量的变化规律.由图2可知，随着氩氧比从1∶4升高到5∶8，因为薄膜沉积速率升高，堆积密度提高，薄膜的硬度、弹性模量随之升高.当氩氧比为5∶8时，硬度和弹性模量均达到最大值，分别为9.43 GPa和128.55 GPa.但是其随着氩氧比的进一步提高，薄膜的纳米硬度和弹性模量均随之下降，当Ar/O2比升至4∶1时，薄膜的纳米硬度降至7.09 GPa，其弹性模量也仅为91.01 GPa.显然，薄膜内游离态Hf元素含量随着Ar气流量的增大而提高，薄膜逐渐向金属化过渡，是导致薄膜力学性能下降的主要原因.图2 Ar/O2流量比为1∶4，5∶8，1∶1，8∶5和4∶1时制备薄膜的纳米硬度和弹性模量Fig.2 Hardness and elastic modulus of HfO2thin films at the Ar/O2 ratios of 1∶4,5∶8,1∶1,8∶5 and 4∶12.3 不同氩氧比下HfO2薄膜光学性能的变化与其力学性能变化的关系正交实验结果表明，薄膜制备工艺参数对其在1 064 nm处折射率与薄膜纳米力学性能指标具有类似的影响规律，图3是在不同氩氧比条件下的1 064 nm处薄膜的折射率和消光系数变化曲线.图3 Ar/O2流量比在1∶4，5∶8，1∶1，8∶5和4∶1时制备薄膜的折射率和消光系数(1 064 nm)Fig.3 Refractive index and extinction coefficient of HfO2 thin films at the Ar/O2 ratios of 1∶4,5∶8,1∶1,8∶5 and 4∶1 (1 064 nm)由图3可知，在Ar/O2比为1∶4时，此时薄膜的在1 064 nm处的折射率较小，仅为1.87，而消光系数为2.1×10-3，而与其对应的薄膜的纳米硬度也仅为9.76 GPa，显然，这是由于当氧气流量较大时，薄膜沉积速率较低而导致薄膜较为疏松.而随着Ar/O2比例增加到5∶8时，折射率进一步增大，而薄膜的消光系数最小，仅为6.3×10-4，这表明此时薄膜的内部吸收最小.但是随着Ar/O2比例的进一步增大，薄膜的折射率不断增大，消光系数也随之增大，而相比图2结果显示，薄膜的纳米硬度和弹性模量均与之反向下降，表明薄膜中铪单质增加，薄膜趋向金属化，从而导致薄膜折射率增大，纳米硬度、弹性模量和消光系数下降.采用U-3510型紫外-可见分光光度计对不同氩氧比下制备薄膜的透过率进行测试，其测试结果如图4所示.由图4可知，当Ar/O2比为5∶8时，薄膜样品在可见光谱范围内的峰值透射率为所有样品中的最大值，为91.28%.而Ar/O2比过大或过小，都会导致其薄膜透射率的下降，这与图2和图3所示结果相一致.从图4亦可看出，即使是在较为合适的氩氧比条件下，薄膜仍然在可见区存在吸收，其可能的原因有两个：① 射频溅射薄膜沉积速率低，形成的薄膜堆积密度小，光在缺陷部位容易发生散射；② 工作过程中氩离子对薄膜的溅射作用，有可能引起薄膜内部的空位缺陷增大.图4 Ar/O2质量流量比在1∶4，5∶8，1∶1，8∶5和4∶1时制备薄膜的透射率曲线Fig.4 Transmittance spectra of HfO2thin films at the Ar/O2 ratios of 1∶4,5∶8,1∶1,8∶5 and 4∶13 结论1) 正交实验结果表明，影响射频反应磁控溅射沉积制备HfO2薄膜力学性能的主要因素为靶基距，其次是氩氧比，靶功率的影响相对最小.2) 射频反应磁控溅射法沉积制备的HfO2薄膜的光学特性与其力学性能有相关性，随着薄膜的纳米硬度和弹性模量最大时，制备薄膜的光学性能也达到了最佳，其力学性能和薄膜在可见区的透过率特性正相关.3) 相同靶功率和靶基距条件下，随着氩氧气体质量流量比4∶1，5∶8，1∶1,8∶5和4∶1变化时，制备薄膜在的纳米硬度和弹性模量先增大后减小，在Ar/O2为5∶8时，其纳米硬度和弹性模量达到了最佳.参考文献:【相关文献】[1] FU W E,HE B C,CHANG Y Q.Surface Mechanical Property Assessment of Ultra-thinHfO2 Films[J].Thin Solid Films,2013,544:212.[2] 王营,赵元安,贺洪波，等.HfO2薄膜的光致发光谱与激发谱[J].中国激光,2010,37(4):1104. WANG Ying,ZHAO Yuanan,HE Hongbo，et al.Photoluminescence and Photoluminescence Excitation of Hafnium Dioxide (HfO2) Thin Films[J].Chinese Journal ofLasers,2010,37(4):1104.(in Chinese)[3] JENA S,TOKAS R B,MISAL J S,et al.Effect of O2/Ar Gas Flow Ratio on the Optical Properties and Mechanical Stress of Sputtered HfO2 Thin Films[J].Thin SolidFilms,2015,592(A):135.[4] 郭会斌,王凤英,贺琦,等.反应磁控溅射法制备HfO2金刚石红外增透膜[J].人工晶体学报,2008,37(6):1355.GUO Huibin,WANG Fengying,HE Qi,et al.Reactive Magnetron Sputtering of IR Anti-reflection HfO2 Coatings for Freestanding CVD Diamond Window Applications[J].Journal of Synthetic Crystals,2008,37(6)：1355.(in Chinese)[5] ZHANG D W,FAN S H,ZHAO Y A,et al.High Laser-induced Damage Threshold HfO2 Films Prepared by Ion-assisted Electron Beam Evaporation[J].Applied Surface Science,2005,243(1/4):232.[6] RUDENJA S,MINKO A,BUCHANAN D A.Low-temperature Deposition of Stoichiometric HfO2 on Silicon: Analysis and Quantification of the HfO2/Si Interface from Electrical and XPS Measurements[J].Applied Surface Science,2010,257(1)：17.[7] LIU K C,TSAI J R,LIN W K,et al.Defect Passivation by O2 Plasma Treatment on High-k Dielectric HfO2 Films at Room Temperature[J].Thin Solid Films,2011,519(15):5110.[8] MILANOV A,THOMAS R,HELLWIG M,et al.LI-MOCVD of HfO2 Thin Films Using Engineered Amide Based Hf Precursors[J].Surface and CoatingsTechnology,2007,201(22/23):9109.[9] LIDA T,TAKAMIDO Y,KUNII T,et al.TiO2 Thin Film Using Organic Liquid Materials Prepared by Hot-Wire CVD Method[J].Thin Solid Films,2008,516(5):807.[10] BORGESE L,GELFI M,BONTEMPI E,et al.Young Modulus and Poisson Ratio Measurements of TiO2 Thin Film Deposited with Atomic Layer Deposition[J].Surface and Coatings Technology,2012,206(8/9)：2459.[11] LIU G A，YANG G J，ZHENG F S.Influence of Sputtering Power on Microstructures of TiO2 Films[J].Chinese Journal of Vacuum Science and Technology,2007,27(3):254. 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PVD真空镀膜技术在材料表面改性中的应用
PVD真空镀膜技术在材料表面改性中的应用在物质科学领域，表面工程和表面技术一直是研究的重点领域。
材料在不同环境下，受到各种物理、化学、生物等因素的影响，不但会导致表面的化学物质的变化，而且会影响其力学性能、物理性质以及其他性质。
表面工程技术就是基于改变材料表面内部结构和成分来改变表面性质和特性，以适应各种应用需求的工程技术。
PVD真空镀膜技术，即物理气相沉积技术 (Physical Vapor Deposition)，是目前常用的一种表面处理技术，其基本原理是利用高真空条件下，将金属或非金属薄膜沉积到基体表面的过程。
这种技术具有无污染、无毒、无害、低成本和高效等优点，在多个领域得到了广泛的应用。
PVD真空镀膜技术的基本工艺流程包括：材料表面清洗、预处理、真空抽空、薄膜成核、沉积、薄膜成长和表面处理等步骤。
不同材料的表面处理需求不同，可以通过更换不同的沉积源、沉积条件和表面处理工艺，实现不同的表面改性。
PVD真空镀膜技术在材料表面改性中的应用较为广泛，在以下几个方面有很好的应用表现：1.提高材料表面硬度和耐磨性PVD真空镀膜技术可以利用金属、合金或化合物等薄膜进行镀膜处理，从而提高材料表面硬度和耐磨性。
金属薄膜在物理碰撞过程中不容易脱落，使表面不易刮伤和损坏；像氮化铬、硬质合金等陶瓷类涂层，则可以在表面形成一层高硬度的陶瓷保护层，从而提高了工件表面的耐磨性和硬度。
2.提高材料表面的耐腐蚀性通过PVD真空镀膜技术，我们可以在材料表面形成氧化铝、氧化锆、丝光不锈钢等高功能涂层，以增强材料表面的耐腐蚀性，并提高材料的化学稳定性。
3.提升材料表面的导电性和热导率在电子材料、光电器件等领域，要求材料表面具有较好的导电性和热导率。
PVD真空镀膜技术可以在材料表面形成一系列的金属、导体或半导体涂层，从而提高材料的导电性和热导率，符合其选择用途。
4.提高材料表面光学透过率和反射率在光学和电子器件领域，我们需要将材料表面的透过率和反射率提高到最佳状态，常采用PVD真空镀膜技术来实现。
镀膜图层详述
三种涂镀膜层简介表面处理在基体材料表面上人工形成一层与基体的机械、物理和化学性能不同的表层的工艺方法。
表面处理的目的是满足产品的耐蚀性、耐磨性、装饰或其他特种功能要求。
这里我们主要介绍三种涂镀膜层技术，热喷涂锌铝、搪瓷、达克罗。
下面一一介绍。
一：热喷涂锌铝：锌是一种银白色的金属，具有金属光泽。
熔点419摄度，密度7.14g/cm^3，标准电极电位为-0.76V，是较活泼的金属之一。
锌的晶体结构为密排六方，随着温度升高，显示出同素异构转变。
锌涂层外观呈暗白色，涂层密度一般为6.27g/cm^3，是热喷涂防腐蚀施工中使用最早，且最多的涂层材料。
但是在硫或氧化物污染的空气中锌涂层不具有耐蚀性。
虽然锌的钝化用很小，但在铬酸盐溶液中却能显著钝化，生成铬酸锌保护膜。
热喷涂用的锌原料要求纯度高，防腐用时纯度要求Zn 99.995%以上，含铁在0.001%以下。
作为线材纯度至少含锌99.9%以上、Cu 0.05%以下，为了防止喷涂中断线，要求拉伸强度大于150Mpa、延伸率大于40%。
纯度超高，喷涂粒子越细小，涂层表面越致密。
1）热喷涂使用的锌铝合金主要是含Al量5%~25%的锌铝二元合金。
当合金中的铝含量大于28%时，合金的许多化学和电化学性能与纯铝相似，如果用于热喷涂防腐，则不能很好地发挥如何的阴极保护作用。
另一方面，由于合金中的含铝量增加倒使合金线材加工困难，所以目前常用的是含锌85%，含铝量15%的二元锌铝合金。
该合金的通用牌号为Zn-Al15.2）Zn-Al15合金Zn-Al15合金的熔点为440摄度，涂层密度约为5.0g/cm^3。
Zn-Al15锌铝合金是一种在许多方面都优于纯锌或纯铝的两相组织结构的涂层，该合金涂层在许多环境下具有良好的耐腐蚀性能，可以对钢铁基体提供有效的保护。
Zn-Al15合金涂层的力学性能较好，它的强度和硬度均优于纯锌涂层和纯铝涂层；电化学性质介于锌和铝涂层之间，兼有两者的某些优点。
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镀膜的内应力（internal stress）
• 内应力有两种形式：
• 若镀膜在平行表面方向有收缩趋势，即镀 膜凹面弯曲——张应力；
• 若多磨在平行表面有扩张的趋势，即镀膜 凸面弯曲——压应力。
镀膜的内应力（internal stress）
• 薄膜内应力=热应力+本征应力
内应力的测量
• x射线衍射法：
用形状特定的压头在薄膜和 基体组成的表面上滑动，在此过程 中连续线性增加载荷产生划痕。
粘附力的测定
当载荷L达到临界载荷值Lc时，薄膜与集体会发生剥 离，此时脆性薄膜会产生高强且连续波动的声发射信 号，声发射峰出现波动的起始点所对应的载荷值即为 薄膜从基体剥离的临界载荷Lc。
提高粘附力的途径
• 1、保证表面清洁度 • 2、通过扩散使镀膜物质进入基体，以获得 过渡层 • 3、用氧化手段在镀膜和基体间造成中间化 合物 • 4、离子轰击使基体表面粗糙，扩大镀膜与 物质基体的接触面积
• 直接测到镀膜内由应力引起的点阵常数的 变化，然后根据弹性模量可以计算出应力 的大小和方向。 • 可以测量局部区域应力，但此方法测出的 应力是x射线穿透深度应力的平均值。
内应力的测量
• 悬臂梁法： • 悬臂梁方法可以实现薄膜应力的动态监测 并可获得应力沿深度分布的信息； • 但不能研究薄膜表明面的局部应力。
镀膜的力学性能
吴彼 表面工程实验室 材料学院 大连理工大学
2012.3.5
镀膜的力学性能
• 背景介绍 • 镀膜的粘附力（adhesion strength） • 镀膜的内应力（internal stress）
背景介绍
• 镀膜种类：
电镀膜 溅射镀膜 化学镀膜 镀膜的力学性能是关系镀膜其他性能 CVD镀膜 及基体材料和评价镀膜质量的重要参数 真空蒸发镀膜
内应力的测量
• 悬臂梁法：
内应力的测量
• 圆盘法：
控制镀膜内应力的大致方法
• 1、金属镀膜，提高基体温度可以迅速减小 本征应力；
控制镀膜内应力的大致方法
• • • • 2、溅射中控制基体 偏压，可控制镀膜的 本征应力和镀膜生长 的形态；
控制镀膜内应力的大致方法
• 1、金属镀膜，提高基体温度可以迅速减小 本征应力； • 2、溅射中控制基体偏压，可控制镀膜的本 征应力和镀膜生长的形态； • 3、沉积后进行热处理可减小内应力； • 4、调整或控制镀膜的厚度可以控制或减小 内应力。
控制镀膜内应力的大致方法
4、调整或控制镀膜的厚度可以控制或减小内 应力。
谢谢！
镀膜的粘附力（adhesion strength）
• 粘附力也可以看成在原子或分子范围内的 作用力。
• 物理吸附：范德瓦尔斯力的作用；粘附能 在0.4eV以下； • 化学吸附：（大于0.4eV）共价键、离子键 和金属键。 • Cr、Al在玻璃基体上粘附性比Au、Ag要好。
粘附力的测定
• 划痕实验法