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 ·211· 2.0 7 (a) b 1.5 一径向应力 6 剪应力 1.0 以 0.5 0 43 0. 2 -1.0 1 15 200 2 径向坐标，m 径向坐标，m 图6有限元应力计算结果.(a)薄膜表面应力：(b)界面径向应力 Fig.6 Finite element analysis result of stress:(a)stress in the film surface:(b)radial stress in the interface 最大主应力P 第四图裂议↑ 第三裂纹 第二圈裂纹 第一圆塑纹 图7第四次模拟主应力计算 Fig.7 4th simulation of maximum principal stress distribution 膜内部缺陷的影响，因此模拟的裂纹都为理想的规 贯穿厚度的多环裂纹，并且未发现明显的脱层现象； 则环形裂纹. 在压痕过程中，通过将载荷位移曲线中的pop-in与 裂纹形成相联系，发现径向裂纹先于环形裂纹发生. 3.5 3.0 (3)利用cohesive单元模拟贯穿厚度的环形裂 纹的形成过程，得到薄膜的应力分布.在压头作用 且2.5 下，薄膜表面在接触区域外侧产生较大的径向拉应 2.0 力，拉断薄膜产生环形裂纹；而在压头正下方薄膜距 10 离界面处较大的径向拉应力也说明了径向裂纹的产 生原因.有限元分析从应力角度解释了在锥形压头 0.5 作用下硬薄膜/软基体上各种裂纹的产生原因. 2 环形裂纹图数 附录 图8有限元模拟环形裂纹的半径与裂纹圈数的关系 Fig.8 Relationship between the radius of ring cracks and the number Al of ring cracks using finite element analysis 为了利用纳米压痕法测量薄膜本身的杨氏模 量，一个公认的原则就是测试时压痕深度小于薄膜 4结论 厚度的110，并且基体的硬度应比薄膜的硬度高. 本文为了测试该类金刚石薄膜的硬度，通过相同的 (1)利用等离子化学沉积法使用乙炔气体在聚 等离子体条件，特别在单晶硅基体上生成了厚度为 二醚酮基体上生成了类金刚石薄膜. 1l00nm的类金刚石薄膜，利用Oliver和Phar7提 (2)薄膜在纳米压头作用下产生了径向裂纹和 出的经典的纳米压痕测试方法，测试结果如图A1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 图 6 有限元应力计算结果． ( a) 薄膜表面应力; ( b) 界面径向应力 Fig． 6 Finite element analysis result of stress: ( a) stress in the film surface; ( b) radial stress in the interface 图 7 第四次模拟主应力计算 Fig． 7 4th simulation of maximum principal stress distribution 膜内部缺陷的影响，因此模拟的裂纹都为理想的规 则环形裂纹． 图 8 有限元模拟环形裂纹的半径与裂纹圈数的关系 Fig． 8 Ｒelationship between the radius of ring cracks and the number of ring cracks using finite element analysis 4 结论 ( 1) 利用等离子化学沉积法使用乙炔气体在聚 二醚酮基体上生成了类金刚石薄膜． ( 2) 薄膜在纳米压头作用下产生了径向裂纹和 贯穿厚度的多环裂纹，并且未发现明显的脱层现象; 在压痕过程中，通过将载荷位移曲线中的 pop--in 与 裂纹形成相联系，发现径向裂纹先于环形裂纹发生． ( 3) 利用 cohesive 单元模拟贯穿厚度的环形裂 纹的形成过程，得到薄膜的应力分布． 在压头作用 下，薄膜表面在接触区域外侧产生较大的径向拉应 力，拉断薄膜产生环形裂纹; 而在压头正下方薄膜距 离界面处较大的径向拉应力也说明了径向裂纹的产 生原因． 有限元分析从应力角度解释了在锥形压头 作用下硬薄膜/软基体上各种裂纹的产生原因． 附录 A1 为了利用纳米压痕法测量薄膜本身的杨氏模 量，一个公认的原则就是测试时压痕深度小于薄膜 厚度的 1 /10，并且基体的硬度应比薄膜的硬度高． 本文为了测试该类金刚石薄膜的硬度，通过相同的 等离子体条件，特别在单晶硅基体上生成了厚度为 1100 nm 的类金刚石薄膜，利用 Oliver 和 Pharr［17］提 出的经典的纳米压痕测试方法，测试结果如图 A1 · 112 ·