膜基界面残余应力的表征方法技术

本公开提供了一种膜基界面残余应力的表征方法，属于表面工程技术领域。该方法包括在基体表面形成薄膜，获取基体表面形成薄膜后的实际形变参数；根据基体表面形成薄膜后的实际几何尺寸和材料性能参数，建立有限元分析模型；施加热载荷，获取所述有限元分析模型中膜基几何模型的模拟形变参数；当所述模拟形变参数与所述实际形变参数的差值在阈值范围内时，获取所述膜基几何模型的膜基界面处的剪切应力或最大主应力，采用所述剪切应力或最大主应力表征膜基界面残余应力。本公开提供的膜基界面残余应力的表征方法，其获得的膜基界面的残余应力的准确性高，可进一步用于表征膜基结合性能，预判残余应力所致的薄膜界面失效行为。

【技术实现步骤摘要】
膜基界面残余应力的表征方法
本公开涉及表面工程
，尤其涉及一种膜基界面残余应力的表征方法。
技术介绍
薄膜残余应力是薄膜制备过程中的普遍现象，其在薄膜内贮存了大量的弹性能，并作用于薄膜与基体的界面上，弹性能很大时会导致薄膜开裂甚至剥落，使薄膜/基体系统失效。残余应力是薄膜制备与应用的一大难题。残余应力是膜基结合性能的关键因素。目前，薄膜残余应力最常用的量化表征方法包括X射线衍射法和基片曲率法，二者对于薄膜残余应力测量的共性在于，均以宏观应变为基础，后根据弹性力学理论对应力大小进行估算。其中，X射线衍射法受衍射角偏低和衍射强度偏弱等多重因素影响，特别是对于具有明显织构的薄膜材料，数据准确性不足。因此，采用X射线衍射法获得的残余应力无法准确表征膜基结合性能。基片曲率法获得的平均残余应力受薄膜厚度的影响，当薄膜厚度一致时，其大小尚可用于相互比较分析，但随薄膜厚度增加，残余应力的演化和分布渐趋复杂，残余应力沿薄膜厚度方向呈非均匀分布，具有明显的厚度依赖性。然而，薄膜内应力对膜/基结合性能的作用是通过界面实现的。因此，当薄膜厚度不一时，采用薄膜内应力的平均大小来表征其与膜/基结合性能间相互关系的有效性值得商榷。所述
技术介绍
部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
技术实现思路
本公开的目的在于提供一种膜基界面残余应力的表征方法，其获得的膜基界面的残余应力的准确性高，可进一步用于表征膜基结合性能，预判残余应力所致的薄膜界面失效行为。为实现上述专利技术目的，本公开采用如下技术方案：根据本公开的第一个方面，提供一种膜基界面残余应力的表征方法，包括：在基体表面形成薄膜，获取基体表面形成薄膜后的实际形变参数；根据基体表面形成薄膜后的实际几何尺寸和材料性能参数，建立有限元分析模型；施加热载荷，获取所述有限元分析模型中膜基几何模型的模拟形变参数；当所述模拟形变参数与所述实际形变参数的差值在阈值范围内时，获取所述膜基几何模型的膜基界面处的剪切应力或最大主应力，采用所述剪切应力或最大主应力表征膜基界面残余应力。在本公开的一种示例性实施例中，所述在基体表面形成薄膜，获取基体表面形成薄膜后的实际形变参数包括：获取基体厚度和基体表面形成薄膜前的第一轮廓参数；在基体表面形成薄膜；获取薄膜厚度和基体表面形成薄膜后的第二轮廓参数；根据所述基体厚度、所述第一轮廓参数、所述薄膜厚度和所述第二轮廓参数，获得薄膜计算残余应力；其中，所述实际形变参数包括所述第二轮廓参数或/和所述计算残余应力。在本公开的一种示例性实施例中，所述第一轮廓参数包括第一长度和第一挠度，所述第一长度为基体表面形成薄膜前基体下表面两侧端点间的距离，所述第一挠度为基体表面形成薄膜前基体下表面两侧端点与基体上表面中心点间的平行距离；所述第二轮廓参数包括第二长度和第二挠度，所述第二长度为基体表面形成薄膜后基体下表面两侧端点间的距离，所述第二挠度为基体表面形成薄膜后基体下表面两侧端点与薄膜上表面中心点间的平行距离。在本公开的一种示例性实施例中，根据所述基体厚度、所述第一轮廓参数、所述薄膜厚度和所述第二轮廓参数，获得薄膜计算残余应力包括：根据所述第一长度和所述第一挠度，获得基体表面形成薄膜前的第一曲率；根据所述第二长度和所述第二挠度，获得基体表面形成薄膜后的第二曲率；根据所述基体厚度、所述第一曲率、所述薄膜厚度和所述第二曲率，获得薄膜的所述计算残余应力。在本公开的一种示例性实施例中，所述基体厚度、所述第一曲率、所述薄膜厚度、所述第二曲率和所述计算残余应力满足第一关系式，其中，σ为计算残余应力，ts为基体厚度，tc为薄膜厚度，κ为第一曲率，κ'为第二曲率，Es为基体弹性模量，vs为基体泊松比。在本公开的一种示例性实施例中，根据基体表面形成薄膜后的实际几何尺寸和材料性能参数，建立有限元分析模型包括：根据基体表面形成薄膜后的实际几何尺寸，建立所述膜基几何模型；对所述膜基几何模型进行网格划分；输入材料性能参数，参数化所述膜基几何模型；其中，网格划分单元类型为8节点线性减缩积分单元。在本公开的一种示例性实施例中，施加热载荷，获取所述有限元分析模型中膜基几何模型的模拟形变参数包括：定义薄膜模拟沉积温度和冷却后温度，获得所述模拟沉积温度和所述冷却后温度的温度差值；施加所述模拟沉积温度于所述膜基几何模型，获得不同所述温度差值下所述膜基几何模型的模拟形变参数。在本公开的一种示例性实施例中，施加所述模拟沉积温度于所述膜基几何模型，获得不同所述温度差值下所述膜基几何模型的模拟形变参数包括：施加所述模拟沉积温度于所述膜基几何模型，获得不同所述温度差值下所述膜基几何模型的模拟轮廓参数；其中，所述模拟轮廓参数包括模拟长度和模拟挠度，所述模拟长度为所述膜基几何模型中基体下表面两侧端点间的距离，所述模拟挠度为所述膜基几何模型中基体下表面两侧端点与薄膜上表面中心点间的平行距离，所述模拟形变参数包括所述模拟轮廓参数。在本公开的一种示例性实施例中，施加所述模拟沉积温度于所述膜基几何模型，获得不同所述温度差值下所述膜基几何模型的模拟形变参数还包括：当所述模拟长度等于所述第二长度，且所述模拟挠度等于所述第二挠度时，获取此时对应的所述膜基几何模型的Mises应力；其中，所述模拟形变参数还包括所述Mises应力。在本公开的一种示例性实施例中，所述基体的材料包括高速钢或不锈钢，所述薄膜的材料包括TiN、TiAlN、TiSiN中的一种。本公开提供的膜基界面残余应力的表征方法，在基体表面形成薄膜，采用测量方法获得基体表面形成薄膜后的实际形变参数，之后通过有限元分析模拟的方式，参照基体表面形成薄膜后的实际几何尺寸和材料性能参数建立有限元分析模型，并通过施加热载荷，获得热载荷下的模拟形变参数，以拟合实际形变参数。当模拟形变参数与实际形变参数的差值在阈值范围内时，分析获取此时膜基几何模型的膜基界面处的剪切应力或最大主应力，采用该剪切应力或最大主应力来表征膜基界面的残余应力。本公开提供的膜基界面残余应力的表征方法，其获得的膜基界面的残余应力的准确性高，可进一步用于表征膜基结合性能，预判残余应力所致的薄膜界面失效行为。附图说明通过参照附图详细描述其示例实施方式，本公开的上述和其它特征及优点将变得更加明显。图1是本公开示例性实施例中膜基界面残余应力的表征方法流程示意图；图2是本公开示例性实施例中膜基几何模型示意图；图3是本公开示例性实施例中膜基几何模型Mises应力结果图；图4是本公开示例性实施例中膜基几何模型界面处剪切应力结果图；图5是本公开示例性实施例图4中A部分放大图；图6是本公开示例性实施例中膜基几何模型界面处最大主应力本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种膜基界面残余应力的表征方法，其特征在于，包括：/n在基体表面形成薄膜，获取基体表面形成薄膜后的实际形变参数；/n根据基体表面形成薄膜后的实际几何尺寸和材料性能参数，建立有限元分析模型；/n施加热载荷，获取所述有限元分析模型中膜基几何模型的模拟形变参数；/n当所述模拟形变参数与所述实际形变参数的差值在阈值范围内时，获取所述膜基几何模型的膜基界面处的剪切应力或最大主应力，采用所述剪切应力或最大主应力表征膜基界面残余应力。/n

【技术特征摘要】
1.一种膜基界面残余应力的表征方法，其特征在于，包括：
在基体表面形成薄膜，获取基体表面形成薄膜后的实际形变参数；
根据基体表面形成薄膜后的实际几何尺寸和材料性能参数，建立有限元分析模型；
施加热载荷，获取所述有限元分析模型中膜基几何模型的模拟形变参数；
当所述模拟形变参数与所述实际形变参数的差值在阈值范围内时，获取所述膜基几何模型的膜基界面处的剪切应力或最大主应力，采用所述剪切应力或最大主应力表征膜基界面残余应力。


2.根据权利要求1所述的膜基界面残余应力的表征方法，其特征在于，所述在基体表面形成薄膜，获取基体表面形成薄膜后的实际形变参数包括：
获取基体厚度和基体表面形成薄膜前的第一轮廓参数；
在基体表面形成薄膜；
获取薄膜厚度和基体表面形成薄膜后的第二轮廓参数；
根据所述基体厚度、所述第一轮廓参数、所述薄膜厚度和所述第二轮廓参数，获得薄膜计算残余应力；
其中，所述实际形变参数包括所述第二轮廓参数或/和所述计算残余应力。


3.根据权利要求2所述的膜基界面残余应力的表征方法，其特征在于，
所述第一轮廓参数包括第一长度和第一挠度，所述第一长度为基体表面形成薄膜前基体下表面两侧端点间的距离，所述第一挠度为基体表面形成薄膜前基体下表面两侧端点与基体上表面中心点间的平行距离；
所述第二轮廓参数包括第二长度和第二挠度，所述第二长度为基体表面形成薄膜后基体下表面两侧端点间的距离，所述第二挠度为基体表面形成薄膜后基体下表面两侧端点与薄膜上表面中心点间的平行距离。


4.根据权利要求3所述的膜基界面残余应力的表征方法，其特征在于，根据所述基体厚度、所述第一轮廓参数、所述薄膜厚度和所述第二轮廓参数，获得薄膜计算残余应力包括：
根据所述第一长度和所述第一挠度，获得基体表面形成薄膜前的第一曲率；
根据所述第二长度和所述第二挠度，获得基体表面形成薄膜后的第二曲率；
根据所述基体厚度、所述第一曲率、所述薄膜厚度和所述第二曲率，获得薄膜的所述计算残余应力。


5.根据权利要求4所述的膜基界面残余应力的表征方法，其特征在于，所述基体厚度、所述第一曲率、所述薄膜厚度、所述第二曲率和所述计算残余应力满...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱龙时，潘晓龙，赵婧，胡小刚，刘璐，孙国栋，张思雨，张于胜，
申请(专利权)人：西安稀有金属材料研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61