PVD真空镀膜涂层的内应力与测量

　　一、应力简介

 

　　物体由于外因(受力、湿度变化等)而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力。同截面垂直的称为正应力或法向应力，同截面相切的称为剪应力或切应力。应力会随着外力的增加而增长，对于某一种材料，应力的增长是有限度的，超过这一限度，材料就要破坏。对某种材料来说，应力可能达到的这个限度称为该种材料的极限应力。极限应力值要通过材料的力学试验来测定。将测定的极限应力作适当降低，规定出材料能安全工作的应力最大值，这就是许用应力。材料要想安全使用，在使用时其内的应力应低于它的极限应力，否则材料就会在使用时发生破坏。

 

　　在应力中有一种称为内应力，即当没有外力作用时，物体内部所存在的应力就是内应力。PVD涂层中存在内应力。内应力的危害非常大，所以在生产中应当掌握内应力的大小及其程度。PVD涂层的主要用途是作为耐磨防护涂层，这要求具有一定的厚度和使用寿命，但是涂层中的内应力限制了涂层的厚度。如果由于内应力而产生的单位体积的弹性能超过单位面积的断裂能，则涂层脱落，因此沉积涂层的厚度受到了限制。一般情况下，涂层的内应力、弹性模量和硬度彼此成正比。所以，生产过程中要通过物理气相沉积工艺条件控制涂层的应力特别是内应力，涂层后要检测涂层的内应力，使其在可接受范围之内。

 

　　二、应力测试方法

 

　　应力测试方法主要包括X射线和电子衍射法、试样变形分析法和光干涉法。

 

　　1、X射线和电子衍射法

 

　　当涂层处于应力状态下，其晶格会产生畸变，从而使晶格常数发生变化，所以用X射线和电子衍射方法测出晶格常数的衍射谱线宽度的变化，可以按一定公式计算出涂层的应力。

 

　　2.试样变形分析法

 

　　将很薄的平直长方形玻璃片的一端固定在涂层设备的真空室内，然后在薄片的一个表面上涂层，涂层应力会使薄片的自由端产生变形，用长焦测量显微镜测出薄片自由端的位移量，再根据材料力学公式计算出涂层的应力。

 

　　3.光干涉法

 

　　利用光干涉法测量涂层应力是先在干涉仪上测量出标准平板与未涂层基片之间形成的干涉条纹，然后在基片上涂层，由于涂层应力的作用，基片表面产生变形，再在干涉仪上测量出标准平板与已涂层基片之间形成的干涉条纹，依据干涉条纹的变化量，用材料力学公式计算出涂层应力。