类金刚石薄膜在锥形纳米压头作用下的断裂分析

付昆昆^1,2,3，郑百林¹，殷永柏⁴，胡腾越¹，叶林²，寿大华²

1. 同济大学航空航天与力学学院2. 悉尼大学航空航天、机械和机械电子工程学院3. 哈尔滨船舶锅炉涡轮机研究所4. 悉尼大学物理学院

摘 要：硬薄膜往往具有较脆的特性,在过载时易发生脆性断裂.本文研究了硬薄膜/软基体在锥形纳米压头作用下的断裂模式.利用等离子体化学沉积法在聚二醚酮基体上沉积生成类金刚石薄膜.使用纳米压痕法对其进行实验研究,实时记录纳米压头压入样品过程中所受的载荷以及位移.载荷位移曲线中有若干间断点,代表着裂纹的形成和扩展.压痕实验完成后,通过扫描电子显微镜和聚焦离子束观察发现,类金刚石薄膜压痕处出现规则的贯穿厚度的环形裂纹和径向裂纹.最后,利用有限元法分析了硬薄膜/软基体在锥形压头作用下的应力分布,通过cohesive单元模拟环形裂纹的起始和扩展.结果表明:环形裂纹是由薄膜表面较高的径向拉应力引起的,较高的径向拉应力发生于压头和薄膜表面接触区域的外侧;径向裂纹则是由薄膜在界面附近较大的拉应力引起的.并且,各圈环形裂纹的半径基本呈线性递增,这和实验观测基本相符.

关键词：薄膜;纳米压痕;断裂;有限元法;