| 摘要：提出红外激光划痕准静态测量新方法。在分析传统划痕试验法和激光检测技术研究与应用现状的基础上，进行了激光划痕法的技术优势分析。 |
1 引言
膜是表面涂层、表面镀膜和表面改性层的统称。膜技术是提高材料表面性能的重要手段之一，目前广泛用于航空航天、机械制造、电子技术、光学与信息科学以及计算机科学等各个领域。随着膜科学的发展和膜技术的广泛应用，人们对其可靠性和使用寿命提出了越来越高的要求，而膜——基界面结合性能是影响其质量的首要指标和基本条件，在很大程度上决定了其可靠性和使用寿命，也是研究人员在膜层制备过程中极为关注的问题。综观当前国际膜科学发展现状，新型膜材料开发能力强，各种先进的硬质膜、光电膜、磁性膜、LB 膜等日新月异；创立新型成膜技术能力强，各种先进的成膜技术也不断取得重大进展。尽管膜基界面结合性能在膜层制备和应用过程中起着关键性的甚至决定性的作用，但是在膜层测控技术上愈显薄弱，特别是至今仍未建立定量测定膜——基界面结合强度的科学方法。这种“二强一弱”的发展局面严重束缚了膜科学的发展。如何定量表征界面结合性能已成为各国科学家致力解决的世界性难题。目前已经提出的检测膜——基界面结合性能的方法有激光层裂法、划痕法、压痕法、界面压入法等计355种之多。这些方法在理论分析和测量技术上都存在有待进一步解决的问题，具体表现在同一种方法测量数据不稳定，不同种方法测得的数值可能会相差几个数量级，甚至产生定性的差异。其原因是所测得的值是界面附着力和膜层与基体的弹性和弹塑性行为、摩擦及有关试验参数的综合结果，而人们至今尚未弄清表面膜破坏临界值与界面结合强度之间的真正关系，至今尚未找到适用于所有情形的界面结合性能测试技术，寻找更科学的界面结合性能检测方法也就成为当今世界的研究热点。本文在分析综合界面结合性能划痕检测技术和激光检测技术的研究与应用现状的基础上，以红外激光非接触加载取代划痕试验法中的金刚石压头接触加载；以长脉冲(1s)激光的准静态直接加载膜层表面取代激光层裂法的短脉冲(2～8ns)高应变率(107s-1)动态加载于无膜面(膜层背面)；在界面结合状态检测诊析技术方面，以X射线衍射技术、表面热镜技术和椭偏技术替代划痕试验法的声发射技术，提出了界面结合性能红外激光准静态划痕检测新技术。长脉冲红外激光直接准静态加载于膜表面，利用脉冲长脉冲红外激光的准静态热力祸合机理，在膜表面形成深度逐渐增加的划痕，用膜——基界面破坏时的激光束参数结合检测参数和膜、基体材料物性参数来表征膜基界面的结合性能。从划痕试验法和激光测量技术的研究与应用现状出发，进行激光划痕检测方法技术优势分析。2 相对于划痕试验法的技术优势
2.1 划痕法试验的研究与应用现状
划痕试验法是以半球形金刚石压头在膜表面上滑动，同时连续增加压头垂直载荷L，以压头完全划穿膜层并使之从基体上开始连续剥离时的载荷为临界载荷Lc。在临界载荷Lc处，脆性膜产生的声发射信号发生波动，同时，压头与膜基系统的摩擦力Fτ(切向载荷)相应发生变化，即在声发射信号一载荷曲线上临界载荷值Lc处对应得到声发射峰。以声发射峰产生处对应的载荷——临界载荷Lc作为膜——基界面结合性能的判据。划痕法是目前比较普遍采用的表征膜基界面结合强度的方法。该方法具有操作简便、直观、量化、方法成熟、工程应用广泛、应用效果良好等优点，是目前唯一能够有效测量硬质耐磨膜——基界面结合力的方法，我国已有相应国家标准(JB/T8554-1997), 但尚存在一些有待进一步研究的问题。- 影响临界载荷Lc的因素多而复杂。Lc不仅与加载速度、划痕速度、压头的磨损情况等试验固有参数有关，还与基体、膜层的性能等非试验参数有关；除与膜——基界面结合状况有关外，其影响因素还包括：膜—基体系统的应力状况、摩擦表面条件、表面粗糙度、硬度、模量、脆性等性能参数因素加载速度、划痕速度等检测环境因素，压头尖半径、压头的磨损情况、压头与表面膜之间的摩擦力与摩擦系数等工具因素以及其他因素。
- 划痕机理复杂。划痕法测量结合力的机制尚未完全清楚，目前尚未建立临界载荷Lc与膜基界面结合力的精确定量关系。
- 接触式测量。机械作用力和摩擦力引起的膜—基系统的弹塑性变形对测量结果的影响很大，而且具有滞后性，在表面膜制备完成后，才能进行测试。目前尚无法实现表面膜制备过程的实时在线检测。
- 破坏性测量方法。这使得其在实际工件上的应用受到一定限制。
- 声发射检测模式仅适用于2～7µm的硬质薄膜的测量；对较硬膜和膜厚小于2µm的硬质薄膜，应采用切向力检测模式；而对软膜则无法测量。
2.2 红外激光划痕法的技术优势分析
红外激光划痕法以激光的非接触加载取代划痕试验法中的金刚石压头接触加载，在界面结合状态检测诊析技术上，以X射线衍射技术、表面热镜技术和椭偏技术替代划痕试验法的声发射技术。与划痕试验法一样，测得的是界面准静态工程结合强度，这与膜—基系统静态准静态工作环境相一致，具有划痕试验法的操作简便、直观、工程基础好、便于工程应用的优点，其相对于划痕试验法具有如下技术优势：- 简化临界载荷的影响因素。测量结果的主要影响因素有界面结合状况、激光束参数、检测参数、膜基系统物性参数等。
- 非接触测量，无机械力和摩擦的作用，膜—基系统的弹塑性变形小。测量结果较划痕法更能反映界面的结合状况和结合质量，可实现表面膜制备过程中的实时在线检测，进而进行表面膜制备质量的实时在线控制。
- 对膜层的厚度和硬度没有特别要求。其划痕原理是基于激光与膜表面的热作用及其引起的膜层的脱粘、脱粘层弹性失稳翘曲和断裂剥落，划痕机理明确。
3 相对于激光层裂法的技术优势
3.1 激光层裂法的研究与应用现状
激光层裂法以短脉冲(脉宽：2～8ns)激光经过约束层和能量吸收层高应变率(107～108)加载试样的无膜表面，利用从表面膜自由表面反射形成的拉伸波与入射压缩应力波在膜——基界面处相遇时受拉产生层裂。激光层裂法测得的高应变率(107～108)加载时的界面动态拉伸强度，其实质是间接测得界面本征结合强度，尤其适用于软基体上的硬质薄膜的测量。美国麻省理工学院的Gupta等人率先开展激光层裂法定量测定平面型薄膜界面结合强度，并申请专利。近年来，江苏大学蔡兰教授等人在该领域进行了大量、系统的深入研究，取得了突破性进展，但尚存在一些有待进一步研究的关键问题。- 其测得的是界面动态结合强度，而膜基系统大多数是在静态、准静态条件下工作的，如何建立两者之间的定量关系，还有待进一步深入研究。
- 其测得的是本征界面结合强度，而目前工程应用较为普遍的划痕法、压痕法等测得的是界面工程结合强度。两者之间有木质的不同，如何建立两者之间的定性和定景关系，有待进一步深入探讨。
- 由于激光产生的冲击波在经过基体传到界面的过程中发生衰减，因此，对试样尺寸(通常试样厚0.1～2mm)和检测环境的要求比较严格，对膜、基体材料的声阻抗也有一定要求，目前只能对平面试样进行检测。可见，通常必须设计专门的测试试样来实现对工件和产品的直接检测，要实现在表面膜制备过程中的实时在线检测，尚有待进一步深入研究。
3.2 激光划痕法的技术优势
激光划痕法以长脉冲(1s)激光的准静态直接加载膜层表面取代激光层裂法的短脉冲(2～8ns)高应变率(107s－1)动态加载于无膜面(膜层背面)，用激光热作用机制代替激光层裂法中的激光冲击波机理。经初步分析，其相对于激光层裂法具有如下技术优势：- 激光划痕法测得的是工程界面结合强度，具有划痕试验法的操作简便、直观、便于工程应用的优占．
- 激光划痕法以激光直接作用于试样的膜表面，无需约束层和能量吸收层，可对工件和产品进行直接检测，对工件形状也无特别要求，适用于平面和曲面等复杂形状的试件；
- 红外激光划痕法测得的是界面准静态结合强度，这与膜—基系统静态、准静态工作环境相一致；
- 红外激光划痕法依据的基础是激光与膜表面的热作用机理，适用于膜—基系统制备和应用工作环境，这为实现膜—基系统制备的制备过程和使用过程的实时在线检测提供了可能性。
3.3 相对于热应力机制激光层裂法的技术优势分析
除上述激光冲击波层裂机理外，激光层裂法还有另一种层裂机制——热应力机制。即利用激光能量直接冲击试样的膜层表面，具有激光能量值要求小、无需约束层、测量过程和测量结果与基体厚度无关(不计热传导的影响)等诸多优点。1996年，美国A G evalls等人研究了Si上ZnO膜和镍基超合金上Y2O3——稳相ZrO2膜的界面结合状况；1998年，法国Sartori等人用该技术研究了金属表面ZrO2与Al2O3膜的抗剥落性能；1998年11月，美国授权了基于激光热应力机理的透明涂层结合性能检测技术发明专利，但仍存在两大根本不足：其一，激光作用于膜表面是单点重复加载，激光作用区膜—基系统的组织、结构、性能和界面结合状况不断变化，过程十分复杂，并易引起表面膜烧蚀；其二，激光作用时间极短，它引起的冲击波及其传播使测试结果的分析、计算和处理变得十分复杂，因此，未见有进一步深入研究的相关报道。激光划痕法引入“划痕”思想，在激光加载的同时，试样相对于激光束作进给运动。在划痕过程中，通过持续增加激光能量或减速进给运动使划痕能量逐步加载。这样使每个激光作用时刻的膜—基系统状况相同，膜表面的划痕是由浅逐步变深，最后形成表面膜烧蚀，可较全面地反映不同激光能量作用下的表面膜破坏状况。另外，采用激光准静态加载方式，一方面与膜基系统的使用环境一致，另一方面可以忽略激光冲击效应，从而简化测试结果的分析、计算和处理过程。4 结语
膜——基界面结合强度的红外激光准静态划痕检测方法综合了传统划痕试验法和激光检测技术的优势，具有划痕机理明确、可对试样进行直接检测、标定方便、非接触测量、适用面广、对膜层无特别要求、无需约束层材料、可实现生产现场和生产过程的实时在线检测等优点，是一种全新的膜基界面结合性能评定技术，具有深远的科研价值和广阔的工程应用前景。
