第2期 付昆昆等：类金刚石薄膜在锥形纳米压头作用下的断裂分析 ·209· 时，在第一圈裂纹和第二圈裂纹的薄膜的中间位置， 展.并且，由于薄膜材料不可避免地会有一些缺陷， 又产生了新的径向裂纹，并且第三圈螺旋状裂纹也 或是由于薄膜表面粗糙度的影响，除了观测到的规 形成了.通过对不同载荷的研究，可以了解裂纹的 则的环形裂纹，还有螺旋形裂纹代替环形裂纹产生 形成过程.在低载荷作用下，薄膜在压头作用形成 螺旋形裂纹起始于距离压头尖端较近处从图3 第一圈环形裂纹和较短的径向裂纹；随着载荷的增 ()还可以看到，第二圈裂纹半径的增长较第三圈 加，产生第二圈甚至第三圈裂纹，径向裂纹也随之扩 螺旋形裂纹起始半径的增长近似相等. w0·1t3mer…60wg-级3w发xmA字后 w013m8rs的w-QBEXSPA…m家 a (b) 径向裂纹 w0·asr。s0wg-n例gkA。m号hDm时 0:nmT各ewe:R时天xAr就m字f (c) ⑧ 图3扫描电镜观察裂纹断裂形式.(a)峰值载荷3.2mN:(b)峰值载荷4.2mN:(c)峰值载荷4.2mN,探头与样品呈45角：(d)峰值载荷 6.2mN Fig.3 SEM observations of crack patterns:(a)peak load of 3.2 mN:(b)peak load of 4.2 mN:(c)peak load of 4.2 mN (the angle between the detector and sample is 45);(d)peak load of 6.2 mN 扫描电镜图像中仅仅给出薄膜表面的裂纹信 息，不能够直观地观察到薄膜沿压头方向的断裂模 式.本文使用聚焦离子束对图3(d)所示的压痕裂 纹断面进行离子束切割，并观测切割后压痕的截面， 第图环形爱纹 如图4所示.从图4中可以清晰地看出，压痕后裂 纹为贯穿厚度的环形裂纹，裂纹已经扩展至界面. 图环形裂纹↑ 并且，薄膜并无明显的脱层现象，只有在第三圈裂纹 第一图环形裂纹 处发现了很小的薄膜脱层现象，这也表明环形裂纹 不是由于薄膜脱层导致的.本文在下节具体讨论裂 纹的形成原因 图4聚焦离子束图观测压痕断面（峰值载荷为6.2mN) 3应力分析 Fig.4 FIB observations of the cross section of indents at the peak load of 6.2 mN 通过有限元法可以确定硬薄膜/软基体材料的 应力分布.从图4观测压痕断面可以发现，薄膜基 薄膜发生脱层.在模拟中假设薄膜和基体的结合力 体之间并未发生明显的脱层现象，因此认为薄膜和 较大，薄膜单元和基体单元在界面处共用节点，从而 基体之间的结合力较大，即压痕的过程不足以导致 忽略薄膜的脱层问题.由于锥形压头的几何特点，第 2 期 付昆昆等: 类金刚石薄膜在锥形纳米压头作用下的断裂分析 时，在第一圈裂纹和第二圈裂纹的薄膜的中间位置， 又产生了新的径向裂纹，并且第三圈螺旋状裂纹也 形成了． 通过对不同载荷的研究，可以了解裂纹的 形成过程． 在低载荷作用下，薄膜在压头作用形成 第一圈环形裂纹和较短的径向裂纹; 随着载荷的增 加，产生第二圈甚至第三圈裂纹，径向裂纹也随之扩 展． 并且，由于薄膜材料不可避免地会有一些缺陷， 或是由于薄膜表面粗糙度的影响，除了观测到的规 则的环形裂纹，还有螺旋形裂纹代替环形裂纹产生． 螺旋形裂纹起始于距离压头尖端较近处． 从图 3 ( d) 还可以看到，第二圈裂纹半径的增长较第三圈 螺旋形裂纹起始半径的增长近似相等． 图 3 扫描电镜观察裂纹断裂形式． ( a) 峰值载荷 3. 2 mN; ( b) 峰值载荷 4. 2 mN; ( c) 峰值载荷 4. 2 mN，探头与样品呈 45°角; ( d) 峰值载荷 6. 2 mN Fig． 3 SEM observations of crack patterns: ( a) peak load of 3. 2 mN; ( b) peak load of 4. 2 mN; ( c) peak load of 4. 2 mN ( the angle between the detector and sample is 45°) ; ( d) peak load of 6. 2 mN 扫描电镜图像中仅仅给出薄膜表面的裂纹信 息，不能够直观地观察到薄膜沿压头方向的断裂模 式． 本文使用聚焦离子束对图 3( d) 所示的压痕裂 纹断面进行离子束切割，并观测切割后压痕的截面， 如图 4 所示． 从图 4 中可以清晰地看出，压痕后裂 纹为贯穿厚度的环形裂纹，裂纹已经扩展至界面． 并且，薄膜并无明显的脱层现象，只有在第三圈裂纹 处发现了很小的薄膜脱层现象，这也表明环形裂纹 不是由于薄膜脱层导致的． 本文在下节具体讨论裂 纹的形成原因． 3 应力分析 通过有限元法可以确定硬薄膜/软基体材料的 应力分布． 从图 4 观测压痕断面可以发现，薄膜基 体之间并未发生明显的脱层现象，因此认为薄膜和 基体之间的结合力较大，即压痕的过程不足以导致 图 4 聚焦离子束图观测压痕断面( 峰值载荷为 6. 2 mN) Fig． 4 FIB observations of the cross section of indents at the peak load of 6. 2 mN 薄膜发生脱层． 在模拟中假设薄膜和基体的结合力 较大，薄膜单元和基体单元在界面处共用节点，从而 忽略薄膜的脱层问题． 由于锥形压头的几何特点， · 902 ·