Спосіб оцінки зносостійкості тонких покриттів

Реферат: Спосіб оцінки зносостійкості тонких покриттів включає визначення значень критерію зносостійкості тонких покриттів, сформованих на твердих підкладинках за розмірами треку, що утворився при різних навантаженнях на досліджувану поверхню наноіндентера. Як наноіндентер використано кремнієвий зонд конічної форми для атомно-силового мікроскопа. При цьому кремнієвий зонд додатково модифікують тонким вуглецевим покриттям, проводять сканування зразка. Скретчінг поверхні виконують при постійно зростаючому навантаженні, фіксують криву «підведення-відведення» і за допомогою цієї кривої визначають глибину проникнення зонда в зразок, встановлюють об'єм витісненого матеріалу в навали та об'єм канавки, що утворилася. Порівнюють визначене значення критерію зносостійкості досліджуваного покриття зі значенням критерію зносостійкості еталонного зразка і за отриманими параметрами оцінюють зносостійкість тонких покриттів. UA 117635 U (12) UA 117635 U UA 117635 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до приладобудування, а саме до способів оцінки мікротвердості діелектричних матеріалів та функціональних покриттів на них. Відомий спосіб дослідження твердих матеріалів на мікротвердість, який полягає в навантажені зразка індентором, відносному переміщенні зразка і індентора з досліджуваної поверхні, оцінюванні ступеня пошкодження поверхні зразка в зоні сліду скрайбування, причому виконують серію переміщень, зразок повертають в площині досліджуваної поверхні на кут, знову виконують серію переміщень з утворенням сітки слідів скрайбування, а про властивості матеріалу роблять висновок по площі руйнування поверхні в осередках сітки. Про властивості матеріалу роблять висновок по відстані між слідами переміщень з умови, чим менше відстань при рівній площі руйнування, тим вище опірність матеріалу руйнуванню [Патент РФ № 2124715, G01N 19/04, 1999]. Недоліком наведеного способу є велика трудомісткість розрахункової частини і відносно невисока достовірність оцінки властивостей інструментального матеріалу в силу того, що розрахунки виконуються по залежностях, отриманих емпіричним шляхом і, відповідно, мають значні похибки. Відомий також спосіб визначення міцності матеріалу і пристрій для його здійснення, який полягає в тому, що на підготовлену поверхню зразків індентором наносять подряпини, повторюють проходи індентора, оцінюють об'єм матеріалу, витісненого індентором з поверхневого шару, витрачену енергію, потім визначають характеристику матеріалу - енергію активації руйнування поверхневого шару, як відношення витраченої енергії до кількості матеріалу, витісненого з поверхневого шару [Патент РФ 2499246, МПК G01N 3/46, 2013]. Недоліком наведеного способу є те, що він обмежений в своїх технологічних можливостях, оскільки дозволяє визначати тільки певні характеристики матеріалу, обмежені пристроєм. Найбільш близьким по технічній суті до корисної моделі, що заявляється, є спосіб визначення опору сколювання гальванопокриття, що полягає у виготовленні металевих зразківсвідків з електролітичними гальванопокриттями, на яких навантажуваним індентором наносять серію подряпин. При цьому на кожному зі зразків-свідків виготовляють поперечний мікрошліф, подряпини наносять алмазною чотиригранною пірамідою зі заздалегідь встановленим навантаженням і методом дряпання по всій товщині гальванопокриття поперечного мікрошліфа перпендикулярно площині гальванопокриття, визначають довжину кожної подряпини від металу зразка до початку її різкого розширення, визначають усереднену довжину серії подряпин і товщину гальванопокриття, а опір сколювання розраховують як усереднену довжину серії подряпин, виражену у відсотках від товщини гальванопокриття [Патент РФ 2200310, МПК-8 G01N 3/46, 2003]. Недоліком даного способу є те, що випробування на дряпання різних матеріалів проводять за умови сталості глибини подряпини (геометричне нормування) для всіх матеріалів, в результаті чого нормальна складова сили дряпання непостійна, і наслідком чого є певне зниження точності моделювання випробувань на зношування і відповідно достовірності визначення трибологічних характеристик матеріалів. В основу корисної моделі поставлена задача розробки більш продуктивного інформативного, надійного і точного способу визначення зносостійкості з можливістю гнучкого забезпечення постійно зростаючого навантаження на наноіндентор - зонд з метою встановлення глибини проникнення зонда в зразок та визначення об'єму витісненого матеріалу в навали та об'єму отриманої канавки. Поставлена задача вирішується у способі оцінки зносостійкості тонких покриттів, що включає визначення значень критерію зносостійкості тонких покриттів сформованих на твердих підкладинках за розмірами треку, що утворився при різних навантаженнях на досліджувану поверхню наноіндентора, як останній використано кремнієвий зонд конічної форми для атомносилового мікроскопа, у якому, згідно з корисною моделлю, кремнієвий зонд додатково модифікують тонким вуглецевим покриттям, проводять сканування зразка, при цьому скретчінг (дряпання) поверхні виконують при постійно зростаючому навантаженні, фіксують криву "підведення-відведення" і за допомогою цієї кривої встановлюють глибину проникнення зонда в зразок, визначають об'єм витісненого матеріалу в навали та об'єм канавки, що утворилася, і за отриманими параметрами оцінюють зносостійкість, порівнюючи визначене значення критерію зносостійкості досліджуваного покриття зі значенням критерію зносостійкості еталонного зразка, і за отриманими параметрами оцінюють зносостійкість тонких покриттів. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 зображено схему взаємодії кремнієвого зонда, модифікованого тонким вуглецевим покриттям з досліджуваною поверхнею, в результатів чого утворюються навали об'ємом Vc та канавка об'ємом Vв . 1 UA 117635 U 5 10 15 20 25 Спосіб оцінки зносостійкості тонких покриттів можна реалізувати наступним чином. На фіг. 1 зображена схема скретчінгу поверхні досліджуваного зразка наноіндентором при постійно зростаючому навантаженні. За отриманою томограмою досліджується профіль отриманого треку і будується крива залежності положення індентора від навантаження. На фіг. 2 зображені топограма (фіг. 2 а) та профіль треку сканування (фіг. 2 б), за якими визначають залежність сили від глибини проникнення зонда в поверхню досліджуваного покриття. Суть способу пояснюється наступним чином. Кремнієвий зонд встановлений в атомносиловий мікроскоп в режимі "Трибологічна лінія". Проводять включення атомно-силового мікроскопа і налаштування модуля детектування і обирають функцію "Трибологічна лінія" програми керування атомно-силового мікроскопа. Сканують зразок для вибору місця дослідження зносостійкості і вибирають лінію проведення дослідження - однорідну поверхню без включень і різких перепадів рельєфу. Задають час навантаження, кількістю ліній, а також максимальне значення зростаючого навантаження (але не більше 1,4 мН - критичне навантаження руйнування кремнієвого зонда). Отримують топограму та профіль треку сканування, за якими визначають залежність сили від глибини проникнення зонда і оцінюють механічні характеристики досліджуваних поверхонь. Сканують місце проведення трибологічної лінії, внаслідок чого визначають об'єм вдавленого матеріалу та об'єм матеріалу, зміщеного в навали деформації по межах лінії. Визначають критерій зносостійкості k (у відносних одиницях), при постійному нормальному навантаженні на індентор, як показник обернено пропорційний повному об'єму Vд деформованого індентором матеріалу: V V0 , (1) k 0  Vд Vв  Vс де V0  10 3 - еталонний об'єм матеріалу; Vд - повний об'єм деформованого індентором матеріалу; Vв - об'єм вдавленого матеріалу, що дорівнює: n ср Vв  Sв L   Sів i 1 L, n де Sв ср - середня площа перерізу видавленого матеріалу в n перерізах, перпендикулярних напряму лінії; 30 S ів - площа і-го перерізу деформованого матеріалу, обмеженого профілем впадин лінії та умовною лінією поверхні зразка; L - контрольна довжина лінії; Vс - об'єм матеріалу, зміщеного в навали деформації по межах лінії, що дорівнює: n Vс  SсрL  с 35 40  Sіс i 1 L, n де Sср - середня площа перерізу зміщеного матеріалу в n перерізах, перпендикулярних с напрямку лінії; S іс - площа і-го перерізу зміщеного матеріалу, обмежена профілем бугрів по обом границям лінії і умовній лінії поверхні зразка. Отримані результати порівнюють з еталонним зразком плавленого кварцу. Як приклад, результати дослідження зносостійкості деяких покриттів: оксид кремнію (SiO2), оксид гафнію (НfO2), золота (Аu) на кремнієвій підкладинці представлені в таблиці. 2 UA 117635 U Таблиця Результати дослідження зносостійкості тонких покриттів Матеріал покриття SiO2 НfO2 Аu Довжина треку, мкм 36 36 36 Середня площа перерізу видавленого Середня площа перерізу зміщеного ср матеріалу Sв , нм 90 107 85 матеріалу Sср , нм с 30 40 11,8 2 2 Критерій зносостійкості, k* 23,1 18,3 28,6 *) Для порівняння: критерій зносостійкості плавленого кварцу k  100 . 5 10 15 20 Таким чином використання кремнієвих зондів, модифікованих тонкими вуглецевими покриттями, можна використовувати для визначення критерію зносостійкості окремих зразків твердих матеріалів, на поверхню яких нанесені тонкі металеві та оксидні покриття в одному циклі сканування. Використання зазначеного способу дає можливість визначити критерій зносостійкості тонких покриттів, сформованих на твердих підкладинках. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб оцінки зносостійкості тонких покриттів, що включає визначення значень критерію зносостійкості тонких покриттів, сформованих на твердих підкладинках за розмірами треку, що утворився при різних навантаженнях на досліджувану поверхню наноіндентера, як останній використано кремнієвий зонд конічної форми для атомно-силового мікроскопа, який відрізняється тим, що кремнієвий зонд додатково модифікують тонким вуглецевим покриттям, проводять сканування зразка, при цьому скретчінг поверхні виконують при постійно зростаючому навантаженні, фіксують криву "підведення-відведення" і за допомогою цієї кривої визначають глибину проникнення зонда в зразок, встановлюють об'єм витісненого матеріалу в навали та об'єм канавки, що утворилася, порівнюють визначене значення критерію зносостійкості досліджуваного покриття зі значенням критерію зносостійкості еталонного зразка і за отриманими параметрами оцінюють зносостійкість тонких покриттів. 3 UA 117635 U Комп’ютерна верстка В. Мацело Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4