机械刻划光栅多层复合铝薄膜微结构及力学性能分析

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Analysis of M icrostructure and M echanical Properties for theMechanical Scratch ing Grating Multi·--layerComposite Aluminum FilmZHANG Baoqing，SHI Guoquan，SHI Guangfeng，SONG Linsen(Changchun University of Science& Technology.Changchun 130022)Abstract： Currently， grating mechanical scribing process is corducted by linear reciprocation processing with diamordscribing tool on a chrome or glass substrate deposited with one micron level layer of aluminum film under vacaum con--ditions.The quality of the deposited composite aluminum film is influenceol by the mechanical properties and vacaul'n de--position parameters.In order to deeply understarol the influence of parameters on the quality of deposited rims， XRI)(X ray diffraction)and SEM (scanning electron microscope)were used to charaetiovize the microstructme of the alumi-nunu thin film.Nano-indentation testing technique was used to analyse the mechanical properties of the aluminum filmwith a glass substrate.The results show that the layered caating method is poeforable of controlling the grain size.Mechanial properties is influenced heavily by the film arerage grain size and the substrafe.With the increase of indertationdepth，the the elastic modulus and hardness decreaseKey wo rds：aluminum film；microstructure；mechanical properties；the XRD；SEM真空蒸发镀膜(简称蒸镀)是真空镀膜技术中的- 种，是把待镀膜的基体或工件置于高真空室内，通过加热使蒸发材料汽化(或升华)，以原子、分子或原子团离开熔体表面，凝聚在具有-定温度的基片或工件表面，并冷凝成薄膜的过程 ，它可以用来制备各种特殊力学性能的铝膜。目前，铝薄膜的研究主要有两个方面：-方面研究超薄铝膜的光学特性和电性能；另-方面研究铝膜在制备多层薄膜中的作收稿 日期：2012 08-16基金项 目：国家 自然科学基金资助项 H(51075042)；吉林势技发展计划资助项N(20080534)；长春理工大学科技创新基金项目(2021000422)作者简介 ：张宝庆 (1975 )，男，博士研究生，讲师，主要从事超精密加T方面的研究，E mail：zbqg000###sohu.tom第四期 张宝庆，等：机械刻划光栅多层复合铝薄膜微结构及力学性能分析 79图7 纳米压入试验载荷-压深曲线图Fig.7 Nano-indentation the test force-depth curves根据表2的测试结果分析可知，在不受基底影响下测得的弹性模量值在30 GPa左右，相对稳定，剔除不合理数据63.93 GPa后取平均值即为铝膜的弹性模量34.088。

3.2 受基底影响力学性能分析既要考虑基底对铝膜的影响规律，又要防止损坏压头，故将下压深度控制在膜厚的1/2～]/3内，对另-块光栅毛坯铝膜(厚度为6.55 fm)进行9次不同压人深度的测试。

从表3中看出，随压人深度增加，受基底影响逐渐表2 1 O.78 fm厚铝膜样本压入实验测量结果Tab.2 1 0.78 fm thick aluminum samples pressed i-nto the experimental measurements增大，弹性模量呈递减趋势，硬度值总体呈递减趋势。

3.3 晶粒尺寸与力学性能关系分析根据2.1中计算得到的平均晶粒尺寸，结合3.1与3.2的力学性能测试方法，对比四个样本铝薄膜晶粒尺寸与弹性模量的关系，发现不同铝薄膜之间差别较大，如表4、图8所示。分析得到，由于弹性模量随晶粒尺寸增大而递增 ，力!学性能与膜厚没有必然关系，所以不同薄膜样本在：刻划时的变形与弹性恢复必然有所不同。

厂尺寸1 m 图8 晶粒尺寸与弹性模量对应图Fig.8 The grain size and the elastic moduluscorresponding to Fig。

表 3 6.55 fm厚铝膜样本压入实验测量结果Tab.3 6.55 fm thick aluminum sample pressed into the results of the experimental measurements∞ ∞ ∞ 柏 ∞ ∞ 伸 0喜 i 长春理工大学学报 (自然科学版) 2012：住表4 四薄膜膜厚、晶粒尺寸与弹性模量对应表Tab.4 Four film thickness，grain size，and the elasti-C modulus of the corresponding table4 结论机械刻划光栅蒸镀铝薄膜的微结构及力学特性直接影响光栅刻划成槽质量 ，蒸镀时难以掌握和控制 ，蒸镀铝薄膜的质量好坏完全凭经验与试验刻划进行判断，会造成极大浪费且容易打刀。本文提出采用XRD无损检测”方法与高精度纳米压人测试技术相结合的薄膜微结构与力学属性分析方法 ，在- 定程度上可避免靠人工经验镀膜及刻划工艺的缺欠。通过对四个批次样本铝薄膜的XRD与SEM测定，发现平均晶粒尺寸均在百纳米以下，分层结构明显，膜厚在几微米至十几微米不等。通过纳米压入实验可得到弹性模量、硬度等力学属性，对比分析结果显示各批次薄膜力学性能差异较大，说明镀膜工(上接第193页)于起步阶段，在工艺设计、原油降解菌种的培养和反应控制上仍存在困难，需要进-步加强对含油污泥本身生质和石油降解菌类降解特性的相关研究。