金刚石自支撑膜微观悬臂梁弯曲断裂力学性能的测试方法

技术领域

本发明涉及超硬材料测试技术领域，具体地，涉及一种金刚石自支撑膜微观悬臂梁弯曲断裂力学性能的测试方法。

背景技术

CVD金刚石膜具有十分接近天然金刚石的高硬度、高弹性模量、极高的热导率、良好的自润滑性和化学稳定性等优异性能，在切削刀具、高功率器件热管理、微电子机械器件、各种光学窗口和半导体领域均具有广阔的应用前景。然而，由于多晶金刚石膜中缺陷尺寸的不确定性，使得其断裂强度和韧性存在较大波动，因此研究如何优化多晶金刚石膜的断裂力学性能具有重要意义，而准确地测量多晶金刚石膜的断裂力学性能是优化的关键所在。

金刚石膜作为一种典型的硬脆性材料，存在诸多因素影响其断裂力学性能测试的可行性和准确性，膜厚是最主要的因素之一。目前关于金刚石膜断裂力学性能测试研究中的不足主要表现在以下三个方面：(1)常规的三点或四点弯曲法要求测试样品的厚度在3mm以上，然而CVD法制备的金刚石膜并非均质材料，其性质会随着膜厚的增加而逐渐发生变化，包括内部晶粒尺寸和应力状态，导致力学特性随膜发生变化，因此测定指定膜厚下的断裂力学性能并不能以一盖全；(2)硬脆性材料的断裂力学性能测试结果往往存在一定的随机性，因此需要大量的样品才能得到有效的测试结果，而常规测试方法所使用得测试样品尺寸较大，这对于沉积成本较高的 CVD金刚石膜而言显然是不经济的；(3)由于CVD金刚石的截面普遍呈柱状生长纹理，导致裂纹在膜内横向和纵向扩展所遇到的阻力差别较大，纵向扩展是金刚石膜断裂过程中裂纹的主要传播机制，而传统的测试方法仅对裂纹横向扩展模式下的韧性进行过研究，目前尚未开展关于裂纹纵向传播韧性的研究。

专利文献为CN209432578U的实用新型专利公开了一种用于CVD金刚石材料力学性能的测试工装，所述测试工装包括第一金属底座、第二金属底座、第一金属支撑杆、第二金属支撑杆和顶部加载部件，所述第一金属底座和第二金属底座通过第一金属支撑杆和第二金属支撑杆连接，所述顶部加载部件垂直设置于所述第一金属底座和第二金属底座的上方，上述方案实现了小尺寸金刚石样品的力学性能测试，既可以解决当前金刚石制备技术难以达到国标测试抗弯强度样品尺寸要求的问题，又可以通过选取大尺寸金刚石膜上的边角料完成测试，实现对整个金刚石膜力学性能的评价，同时节省大量的金刚石膜样品。但是该方法披露的测试样品尺寸为1mm× 2mm×10mm，根据装置的结构和试样尺寸判断，该方法不适用于厚度小于1mm的金刚石膜的断裂力学性能测试。另外，该实用新型并未涉及裂纹纵向扩展情况下的金刚石膜断裂韧性测试。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种金刚石自支撑膜微观悬臂梁弯曲断裂力学性能的测试方法。

根据本发明提供的一种金刚石自支撑膜微观悬臂梁弯曲断裂力学性能的测试方法，包括如下步骤：

试样获取步骤：经金刚石膜沉积、化学腐蚀硅基体、激光切割工序得到待测试的金刚石膜微悬臂梁试样；

调节对准步骤：将待测试的金刚石膜微悬臂梁试样粘贴在夹具上，夹具固定在三坐标位移平台上，调节三坐标位移平台，使压头对准微悬臂梁试样的自由端；

设备安装步骤：压头、接触载荷测量仪以及压电陶瓷促动器依次连接，通过控制压电陶瓷促动器的位移来驱动压头运动，进行金刚石膜断裂力学性能测试；

性能测试步骤：通过软件采集压电陶瓷促动器的位移量和接触载荷大小，得到位移-载荷曲线，根据系统刚性校准结果，计算金刚石膜微悬臂梁试样的真实挠度以及金刚石膜的杨氏模量、断裂强度和断裂韧性。

优选地，试样获取步骤中，金刚石膜微悬臂梁试样的具体制备过程包括：

沉积步骤：对单晶硅基片表面进行砂纸打磨粗化和金刚石微粉植晶，采用微波等离子体化学气相沉积或热丝化学气相沉积进行金刚石膜的沉积；

腐蚀步骤：采用过饱和氢氧化钾溶液对单晶硅基体进行腐蚀，过程中采用水浴锅进行加热；

试样制备步骤：采用激光切割机进行悬臂梁试样的制备，首先将自支撑金刚石膜片分割成设定单位的样片，使用速干胶将样片一侧粘贴于夹具上，切割悬臂梁结构。

优选地，试样获取步骤中，激光切割得到的微观悬臂梁包括无切口微观悬臂梁和单边切口微观悬臂梁，其中无切口微观悬臂梁用于杨氏模量和断裂强度的测量，单边切口微观悬臂梁用于断裂韧性的测量。

优选地，单边切口悬臂梁采用激光切割方法预制切口，激光功率为10W，振镜运动速度为20m/s，往复切割为4次，切口深度通过悬臂梁断裂切口显微形貌进行测量。

优选地，调节对准步骤中，通过x轴和z轴两套光学显微镜放大，确定压头的精确位置，其中：x轴显微镜用于确定微悬臂梁的有效长度；z轴的显微镜用于确定压头位于悬臂梁宽度中心。

优选地，调节对准步骤中，通过三坐标位移平台调整压头位置，压头对准悬臂梁宽度中心后，缓慢调节位移平台沿x轴运动，使压头和悬臂梁接触，观察软件控制界面上出现载荷信息后，将压头退回直至载荷为0。

优选地，所述压头采用波氏压头。

优选地，设备安装步骤中：

压电陶瓷促动器的最大行程为100μm，最小步长为7nm，采用闭环控制方式，精度为0.05％F.S.；

接触载荷测量仪的最大量程为1N，灵敏度2.0±10％nN/mN，工作温度-20～50℃，极限超载200％F.S.；

压头的位移方式为匀速运动，运动速度为2μm/s。

优选地，设备安装步骤中：系统刚性的校准过程为，将压头对准底部有支撑的金刚石膜部分，驱动压头运动，记录载荷-位移曲线，得到指定载荷下的测试系统屈服量，悬臂梁弯曲断裂过程中的压头位移减去当前载荷下的系统屈服量为悬臂梁的真实挠度。

优选地，性能测试步骤中，软件采集压电陶瓷促动器的位移量和接触载荷大小过程中，以促动器开始位移为数据记录时间起点，在数据表格中建立位移量和载荷与时间的关系。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明所提出的金刚石膜微观悬臂梁弯曲断裂力学性能的测试方法，解决了厚度较小的金刚石膜断裂力学性能测试难题。

2、本发明所搭建的金刚石自支撑膜微悬臂梁弯曲断裂力学性能测试系统，配合无切口和单边切口金刚石膜微悬臂梁试样的制备，可以同时实现对CVD金刚石膜材料杨氏模量、断裂强度和断裂韧性的测量。

3、本发明所提出的金刚石自支撑膜微观悬臂梁弯曲断裂力学性能测试方法，实现了对裂纹沿生长方向扩展情况下的金刚石膜断裂韧性的测量。

4、本发明所提出的金刚石自支撑膜微观悬臂梁弯曲断裂力学性能测试方法，对于测试试样的尺寸要求较小，对于需要大量数据支撑的脆性材料断裂力学性能测试实验具有很好的经济性。

5、本发明满足了膜厚为数十微米的金刚石膜的杨氏模量、断裂强度和断裂韧性的测试需求，通过获得CVD金刚石膜的断裂力学性能，进而改善CVD金刚石膜的沉积工艺，对于提升CVD金刚石膜在各领域的应用性能具有重要意义。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为金刚石自支撑膜微悬臂梁弯曲断裂力学性能测试的原理简图。

图2为系统刚性的校准曲线示意图。

图3(a)为无切口悬臂梁结构简图及其与压头的相对位置关系图。

图3(b)为单边切口悬臂梁结构简图及其与压头的相对位置关系图。

图3(c)为无切口悬臂梁的SEM照片。

图4为五种自支撑金刚石膜的表面和截面显微形貌照片视图。

图5(a)为无切口金刚石膜悬臂梁生长侧受拉伸时的载荷-位移曲线图。

图5(b)为无切口金刚石膜悬臂梁形核侧受拉伸时的载荷-位移曲线图。

图6为五种金刚石膜的杨氏模量统计结果示意图。

图7为五种自支撑金刚石膜的断裂强度统计结果示意图。

图8为单层纳米金刚石和多层复合金刚石膜的断裂韧性测试结果示意图。

图中示出：

波氏压头1

接触载荷测量仪2

压电陶瓷促动器3

金刚石自支撑膜微悬臂梁试样4

悬臂梁夹具5

三坐标位移平台6

固定系统平台7

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1至图8所示，根据本发明提供的一种金刚石自支撑膜微观悬臂梁弯曲断裂力学性能的测试方法，包括以下步骤：

S1、经金刚石膜沉积、化学腐蚀硅基体、激光切割等工序得到待测试的金刚石膜微悬臂梁试样；

S2、将待测试的金刚石膜微悬臂梁粘贴在夹具上，夹具固定在三坐标位移平台上，调节位移平台，使压头对准微悬臂梁自由端；

S3、压头、接触载荷测量仪和压电陶瓷促动器依次连接，通过控制压电陶瓷促动器的位移来驱动压头运动，进行金刚石膜断裂力学性能测试；

S4、通过软件采集压电陶瓷促动器的位移量和接触载荷大小，得到位移-载荷曲线，根据系统刚性校准结果，计算悬臂梁的真实挠度以及金刚石膜的杨氏模量、断裂强度和断裂韧性。

进一步的，步骤S1中，金刚石膜悬臂梁的具体制备过程包括：

步骤S11、对单晶硅基片表面进行砂纸打磨粗化和金刚石微粉植晶，采用微波等离子体化学气相沉积或热丝化学气相沉积进行金刚石膜的沉积，优选的膜厚范围在30- 300μm；

步骤S12、采用过饱和氢氧化钾溶液对单晶硅基体进行腐蚀，过程中采用水浴锅进行加热，优选的加热温度为80℃；

步骤S13、采用波长为532nm的激光切割机进行悬臂梁试样的制备，首先将自支撑金刚石膜片分割成7mm×7mm的样片，使用速干胶将样片一侧粘贴于夹具上，然后进行悬臂梁结构的切割，优选的激光功率为10W，微悬臂梁宽度为160μm，长度为1000μ m；

步骤S1中，激光切割得到的微观悬臂梁包括无切口和单边切口两种，其中前者用于杨氏模量和断裂强度的测量，后者用于断裂韧性的测量。单边切口悬臂梁采用激光切割方法预制切口，优选的激光功率为10W，振镜运动速度为20m/s，往复切割为4次，切口深度通过悬臂梁断裂切口显微形貌进行测量。

进一步的，步骤S2中，优选的压头形式为波氏压头；通过x轴和z轴两套光学显微镜放大100倍，确定压头的精确位置，其中x轴显微镜用于确定微悬臂梁的有效长度，无切口悬臂梁的有效长度为900μm，单边切口悬臂梁的有效长度为700μm，z轴的显微镜用于确定压头位于悬臂梁宽度中心；通过三坐标位移平台调整压头位置，压头对准悬臂梁宽度中心后，缓慢调节位移平台沿x轴运动，使压头和悬臂梁接触，观察软件控制界面上出现载荷信息后，将压头退回直至载荷为0，此举旨在避免压头在测试初始阶段存在过长的运动空程。

进一步的，步骤S3中，压电陶瓷促动器的最大行程为100μm，最小步长为7nm，采用闭环控制方式，精度为0.05％F.S.；接触载荷测量仪的最大量程为1N，灵敏度2.0 ±10％nN/mN，工作温度-20～50℃，极限超载200％F.S.；压头的位移方式为匀速运动，运动速度为2μm/s；系统刚性的校准过程为，将压头对准底部有支撑的金刚石膜部分，驱动压头运动，记录载荷-位移曲线，得到指定载荷下的测试系统屈服量，悬臂梁弯曲断裂过程中的压头位移减去当前载荷下的系统屈服量，即为悬臂梁的真实挠度。

由于加载过程中的系统刚性会造成悬臂梁真实挠度的判定误差，导致杨氏模量和断裂强度的计算结果出现误差，因此需要对系统的刚性进行校准，以得到不同接触载荷下的系统屈服量。

步骤S4中，系统刚性的校准过程为，将压头对准底部有支撑的金刚石膜部分，驱动压头运动，记录载荷-位移曲线，得到不同载荷下的测试系统屈服量，悬臂梁弯曲断裂过程中的压头位移减去当前载荷下的系统屈服量，即为悬臂梁的真实挠度(ω)，计算方法如式(1-1)所示：

ω＝d-kF (1-1)

其中k为校准曲线中的斜率(位移/载荷)，F为载荷大小。

步骤S4中，杨氏模量的测试过程为，将压头对准无切口悬臂梁的自由端，驱动压头运动使悬臂梁产生弹性变形，采集加载过程中的接触载荷和位移数据，计算金刚石膜的杨氏模量(E)，计算方法如式(1-2)所示：

其中b为悬臂梁宽度，l为无切口悬臂梁的有效长度，t为金刚石膜厚度。

无切口悬臂梁的尺寸中，b＝160μm，l＝900μm，t通过悬臂梁的断裂截面显微形貌测得。

步骤S4中，断裂强度的测试过程为，将压头对准无切口悬臂梁的自由端，驱动压头运动直至悬臂梁断裂，采集加载过程中的接触载荷和位移数据，计算金刚石膜的断裂强度(σ

其中F

步骤S4中，断裂韧性的测试过程为，将压头对准单边切口悬臂梁的自由端，驱动压头运动直至悬臂梁断裂，采集加载过程中的载荷-位移数据，计算金刚石膜的断裂韧性(K

其中

优选的，单边切口悬臂梁的尺寸中，l

步骤S4中，测试软件具有校准载荷测量仪、控制压头位移速度和行程、调节数据采集时间间隔等功能，在软件的主界面上显示位移-时间曲线、载荷-时间曲线、载荷- 位移曲线以及实时的载荷位移数据。软件采集压电陶瓷促动器的位移量和接触载荷大小过程中，以促动器开始位移为数据记录时间起点，在数据表格中建立位移量和载荷与时间的关系。

更为详细的说明：

实施例1：

金刚石自支撑膜微观悬臂梁弯曲断裂力学性能测试系统的组成包括压电陶瓷促动器及其闭环控制电源、接触载荷测量仪及其信号转换方法器、x轴和z轴的光学显微镜及其显示屏幕、微悬臂梁夹具及调节其位置的三坐标位移平台四个主要部分。

系统的刚度会造成测样试样真实挠度的判定误差，在所有的测试之前，需要对系统刚度进行校准。

金刚石自支撑膜微悬臂梁弯曲断裂力学性能测试原理简图如图1所示，测试系统的屈服主要来源于接触载荷测量仪的弹性变形。

系统刚度校准过程中，压头对准底部有支撑的金刚石膜，控制压头加载和卸载，此时得到的载荷-位移曲线如图2所示，由于压头的位置并未发生变化，此过程中得到的位移数据实际上为接触载荷测量仪的弹性变形。

适用校准曲线的斜率计算后续测试过程中悬臂梁试样的真实挠度。

实施例2：

金刚石自支撑膜生长侧受拉应力情况下的杨氏模量和断裂强度测量，此时采用无切口悬臂梁作为试样，结构如图3(a)所示。

采用微波等离子体化学气相沉积技术，在单晶硅表面制备了五种具有不同结构的金刚石膜，表面和截面形貌如图4所示，其中(m-M)代表单层微米金刚石膜，(m-N) 代表单层纳米金刚石膜，(2l)代表微米/纳米双层复合金刚石膜，(4l)代表微米/纳米四层复合金刚石膜，(8l)代表微米/纳米八层复合金刚石膜。

复合金刚石膜沉积过程中，通过周期性调控反应气压、碳源浓度和氮气流量实现微米金刚石膜和纳米金刚石膜的交替沉积。

金刚石膜沉积结束后，采用化学腐蚀的方式去除硅基体，得到自支撑的金刚石膜，化学腐蚀具体为，腐蚀液为氢氧化钾水溶液，浓度为过饱和，腐蚀过程中采用水浴锅将盛有腐蚀液的容器加热至80℃，本实验采用的硅基体厚度为0.72mm，优选的腐蚀时间约为24h。

采用激光切割将金刚石自支撑膜分割成7mm×7mm的方形样片，优选的激光功率为10W，振镜运动速度为20m/s，采用速干胶水将方形样片粘贴至夹具上特制的凹槽内，金刚石膜的生长侧暴露在外部，凹槽的尺寸为7.5mm×5mm×1mm，因此固定后的样片会有2mm×7mm的面积处于底部无支撑状态。

采用激光切割法在无支撑的金刚石膜部分制备微悬臂梁结构，优选的切割功率为10W，振镜运动速度为20m/s，微悬臂梁的宽为160μm，长度为1000μm，厚度根据金刚石膜截面形貌测得，振镜往复运动次数根据膜厚有所调整。

微悬臂梁结构制备好后，采用螺栓将夹具固定在三坐标位移平台上，调制平台位置使波氏压头对准悬臂梁的自由端，首先通过系统中的z轴显微镜确定压头位于悬臂梁宽度的中心，然后通过x轴显微镜确定压头与悬臂梁的接触位置距离悬臂梁根部的距离，优选的距离为900μm。

为防止在压头加载之前存在过大的空程，手动调整三坐标位移平台，使压头沿x方向进给，与悬臂梁发生接触，在控制程序界面上观察到有接触载荷产生，然后缓慢退回压头直至载荷为零。

设定压头运动形式为单步，运动速度为2μm/s，行程设定为100μm，到达最大位移后，压头立刻返回位置原点，在压头运动的全过程记录实时的位移和接触载荷，载荷-位移曲线如图5(a)所示。

采用公式(1-1)计算悬臂梁的真实挠度，采用公式(1-2)计算金刚石膜的杨氏模量，采用公式(1-3)计算金刚石膜的断裂强度，五种金刚石膜生长侧受拉伸情况下的杨氏模量和断裂强度统计结果如图6和图7所示。

实施例3：

金刚石自支撑膜形核侧受拉应力状态下的杨氏模量和断裂强度测量，如实施例2所述，所不同的是，在于悬臂梁夹具固定的过程中，金刚石膜的生长侧暴露在外部，即悬臂梁断裂过程中形核侧受拉应力，五种金刚石厚膜形核侧受拉伸情况下的杨氏模量和断裂强度统计结果如图6和图7所示。图6为五种金刚石膜的杨氏模量统计结果，横坐标标记为(样品名称-加载侧)，g表示生长侧受拉应力，n表示形核侧受拉应力。图7为五种自支撑金刚石膜的断裂强度统计结果，横坐标标记为(样品名称-加载侧)， g表示生长侧受拉应力，n表示形核侧受拉应力。

实施例4：

单层纳米和多层复合金刚石膜的断裂韧性测量，此时采用单边切口悬臂梁作为试样，如图3(b)所示。

采用微波等离子体化学气相沉积技术，在单晶硅表面制备了单层纳米和八层复合金刚石厚膜，其表面和截面形貌如图4所示，其中(m-N)代表单层纳米金刚石膜，

(8l)代表微米/纳米八层复合金刚石膜。

复合金刚石膜中，通过周期性调控反应气压、碳源浓度和氮气流量实现微米金刚石膜和纳米金刚石膜的交替沉积。

金刚石膜沉积结束后，采用化学腐蚀的方式去除硅基体，得到自支撑的金刚石膜，化学腐蚀具体为，腐蚀液为氢氧化钾水溶液，浓度为过饱和，腐蚀过程中采用水浴锅将盛有腐蚀液的容器加热至80℃，本实验采用的硅基体厚度为0.72mm，优选的腐蚀时间约为24h。

采用激光切割将自支撑金刚石膜分割成7mm×7mm的方形样片，优选的切割功率为10W，振镜运动速度为20m/s，采用速干胶水将方形样片固定至夹具上特制的凹槽内，金刚石膜的生长侧暴露在外部，凹槽的尺寸为7.5mm×5mm×1mm，因此固定后的样片会有2mm×7mm的面积处于底部无支撑状态。

采用激光切割法在无支撑的金刚石膜部分制备单边切口微悬臂梁结构，优选的激光功率为10W，振镜运动速度为20m/s，微悬臂梁的宽为160μm，长度为1000μm，厚度根据金刚石膜截面形貌测得，振镜往复运动次数根据膜厚有所调整；在悬臂梁的根部预制单边切口，采用激光切割方法制备，激光功率为10W，振镜运动速度为20m/s，往复切割4次，切口距离悬臂梁根部200μm。

微悬臂梁结构制备好后，采用螺栓将夹具固定在三坐标位移平台上，调制平台位置使波氏压头对准悬臂梁的自由端，首先通过系统中的z轴显微镜确定压头位于悬臂梁宽度的中心，然后通过x轴显微镜确定压头与悬臂梁的接触位置距离切口的距离，优选的距离为700μm。

为防止在压头加载之前存在过大的空程，手动调整三坐标位移平台，使压头沿x方向进给，与悬臂梁发生接触，在控制程序界面上观察到有接触载荷产生，然后缓慢退回压头直至载荷为零。

设定压头运动形式为单步，运动速度为2μm/s，行程设定为100μm，到达最大位移后，压头立刻返回位置原点，在压头运动的全过程记录实时的位移和接触载荷。

采用扫描电子显微镜对单边切口悬臂梁的断裂截面进行观察，精确测量预制切口的深度和自支撑膜的总厚度。

采用公式(1-4)计算金刚石自支撑膜的断裂韧性，单层纳米和多层复合金刚石厚膜的断裂韧性统计结果如图8所示。

实施例5：

单层纳米和多层复合金刚石厚膜断裂韧性受膜厚的影响，如实施例4所述，所不同的是，在金刚石厚膜的沉积过程中，采用与m-N和8l相同的沉积参数，但沉积时间增加一倍，两种样品分别命名为m-N-2和8l-2，断裂韧性统计结果如图8所示。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。