CC BY
46роших реологических свойств в модифицированных образцах.
Показано, что потеря массы до 360°С (ДтЗбО), обусловленная испарением низкомолекулярных составляющих у модифицированных в лабораторных условиях образцов несколько снижается по сравнению с исходным пеком. Выход коксового остатка при 800°С возрастает у всех модифицированных пеков по сравнению с исходным, наибольший эффект наблюдается при электростатическом методе обработки (42,9% и 40,2% соответственно). Для всех модифицированных пеков основная температурная область потери массы шире (на 15-20 С), чем у исходного, причем расширение происходит в области высоких температур. В большей степени это наблюдается у пеков, модифицированных УНМ «Таунит» в электростатическом поле.
Достигнуто улучшение технологических свойств наноструктурированной пековой матрицы по сравнению с немодифицированной.
ЛИТЕРАТУРА
1. Привалов В. Е., Степаненко М.А. Каменноугольный пек. М.: Металлургия, 1981. 208 е.;
Privalov V.E., Stepanenko М.А. Coal pitch. M.: 1981, 208 p. (in Russian).
2. Багров Г.Н. Конструкционные материалы на основе углерода. М.: Металлургия, 1975. 272 е.;
Bagrov G. N. Constructional materials on the basis of carbon. M.: Metallurgiay. 1975. 272 p. (in Russian).
3. Терентьев А.А., Бейлина Н.Ю. // Новейшие процессы и материалы в порошковой металлургии: Тез. докл. международной конф. 1997. С. 47;
Terentiev A.A., Beiylina N.Yu. // New processes and materials in powder metallurgy. Proceedings of Int. Conf. 1997. P. 47 (in Russsian).
4. Островский B.C., Бейлина Н.Ю., Лиикииа H.B., Синельников JI.3. // Химия твердого топлива. 1995. N 21. С. 56-61;
Ostrovskiy V.S, Beiylina N.Yu., Lipkina N.V., Sinelnikov L.Z. // Khimiya Tverdogo Topliva. 1995. N 21. P. 56-61 (in Russian).
5. Золотухин И.В. // Соросовский образовательный журнал. 1999. №3. С. Ill;
Zolotukhin I.V. // Soros educational journal. 1999. N 3. P. 111 (in Russian).
УДК 539.422.23
K.C. Кравчук, A.C. Усеинов
МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ ТОНКИХ АЛМАЗОПОДОБНЫХ ПОКРЫТИЙ АЛМАЗНЫМ ИНДЕНТОРОМ
(ФГБНУ ТИСНУМ) e-mail: kskrav@gmail.com, useinov@mail.ru
Проведены испытания алмазоподобного покрытия методами измерительного индентирования и склерометрии с целью определения условий образования трещин различных типов. Дано сравнение различных методов расчета трещиностойкости по данным укалывания и царапания. Даны рекомендации по выбору режимов измерений трещиностойкости на тонких алмазоподобных покрытиях.
Ключевые слова: алмазоподобные покрытия, тонкие пленки, вязкость разрушения, индентиро-вание, склерометрия
ВВЕДЕНИЕ
Алмазоподобные углеродные (diamondlike carbon - DLC) покрытия - материалы, состоящие из атомов углерода и имеющие как алмазные, так и графитоподобные связи. Такие аморфные покрытия можно получать в широком диапазоне температур, вплоть до комнатной, на различных материалах: металлах, керамике, стекле, пласти-
ческих материалах. Высокое содержание вр3-связанных (тетраэдрических) атомов углерода в алмазоподобном покрытии приводит к появлению уникальных характеристик покрытия, таких как: высокая твердость, износостойкость, низкий коэффициент трения, коррозионная стойкость и т.д. [1]. Один из аспектов повышенного интереса к гетероструктурам алмазоподобных пленок угле-
рода связан с перспективами использования их в качестве защитных и упрочняющих покрытий микро- и наноэлектромеханических систем. Исследования показывают, что коэффициент трения, твердость, величина внутреннего механического напряжения в таких структурах зависят от условий осаждения, толщины пленки, материала подложки. Непрерывно ведутся работы по улучшению контроля параметров покрытий, связанных с их эксплуатационными свойствами [2].
Таблица 1
Выражения для расчета вязкости разрушения Table 1. Equations for calculation of breaking viscosity
№ метода
1
7
Формула
Kr=A\E^" p
н
3/2
Kc=a{HH) cp2
E f5 P
H) ají
K,=A\*-fíE^* p
c
3/2
Kc
Uf
E
K,r -
H
tañ/Л
Тип трещин
радиальные, полупенсовые
полупенсовые
радиальные
полупенсовые
канальные
любые
любые
Литература
[9-11]
[12,13]
[12,13]
[14-16]
[17,18]
[6-8]
[18,19]
шение материала при вдавливании индентора может вызвать появление трещин нескольких разновидностей. Существует свыше 30 формул, связывающих Кс с величиной нагрузки и длиной образовавшихся трещин с [4,5]. Наиболее активно в последнее время развиваются методы определения К, для тонких покрытий [6-8].
Примечание: А - коэффициент, зависящий от формы индентора; Е — модуль упругости; Н — твердость; Р — нагрузка; с - длина трещины от центра отпечатка; / - длина трещины от края отпечатка; а - размер отпечатка от центра до угла; Uf - энергия высвобожденная при отслоении пленки, CR - радиус отслоившейся области, /' - толщина покрытия; v - коэффициент Пуассона; s - ширина царапины; р - половинный угол при вершине индентора Note: А - empirical constant which depends on the indenter and the crack geometry; E — Young" s modulus; H — hardness; P - load; с - crack length measured from the centre of the indent to the crack tip; / - crack length measured from the corner of the indent to the crack tip; a - indent size from centre to corner; Uf — crack energy from pop-in, CR —the radius of the delaminating region, f -coating thickness; v - Poisson ratio; s - width of scratch; p - indenter attack angle
Для характеризации разрушения и определения трещиностойкости покрытия было разработано множество измерительных методов. В частности, в качестве меры сопротивления хрупкому разрушению используют критический коэффициент интенсивности напряжения Кс - «вязкость разрушения» (ВР) - fracture toughness [3]. Распространенным способом изучения хрупкости в микромасштабе является вдавливание твердого наконечника с известной формой - индентора. Разру-
Рис. 1. Схема разрушения покрытия Fig. 1. The scheme of coating breaking
При вдавливании индентора в исследуемый материал на небольшую глубину (в разы меньшую его толщины) образуются радиальные или полудисковые ("полупенсовые") трещины вдоль ребер индентора (формулы 1-4 табл. 1) [916]. При увеличении глубины внедрения (увеличении силы нагружения) происходит образование латеральных трещин на границе покрытие-подложка и канальных трещин, что приводит к разрушению покрытия с отслоением [6-8] (рис. 1; формула 5,6; табл. 1). Измерение кривой сила-перемещение при испытании вдавливанием позволяет регистрировать момент образования трещины и вычислить энергию образования соответствующей трещины (рис. 2 а,б) [7]. Испытание царапанием также позволяет определить трещи-ностойкость материала. Пороговая ширина царапины, при достижении которой характер разрушения материала меняется с пластического на хрупкий, зависит от вязкости разрушения [18,19] (формула 7 табл. 1). Целью данной работы является определение условий образования различных типов трещин в алмазоподобном покрытии в результате индентирования и царапания твердым
c
2
3
КС=А
4
5
6
2лС„г I-i-
s
3
наконечником при различных нагрузках, а также сравнение методов расчета вязкости разрушения и выбор оптимального режима испытаний алмазо-подобного покрытия.
Р, (mN)
о О 500 1000 1500
а
о
Перемещение
б
Рис. 2. Кривые нагружения — разгружения на DLC-покрытии (а), максимальная нагрузка 50, 100, 150, 200 мН, схема расчета высвобождающейся при отслоении пленки от подложки энергии (б)
Fig. 2. Load-unload curves on DLC-coating. Peak load is 50, 100, 150, 200 mN (a); calculation scheme of evaluating energy under film delaminating from substrate (6)
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В работе проводилось исследование алмазоподобных покрытий, полученных методом фильтрованного пульсирующего дугового разряда (filtered pulsed arc discharge FPAD) [20,21]. Работа проведена с использованием сканирующего твердомера Нанос кан-ЗЭ [22,23]. Это многофункциональный прибор, имеющий возможность измерения механических свойств методами индентиро-вания, склерометрии; проводить испытания на износ, а также позволяет получать изображение рельефа поверхности в режиме сканирующей зондов ой микроскопии.
Проведены механические испытания методами индентирования и склерометрии. Рельеф поверхности в модифицированной области изучался методом сканирующей зондовой микроскопии. Испытания проводились с применением пи-
рамидальных алмазных инденторов типа «угол куба» (Бирбаум). Испытания вдавливанием проведены в диапазоне нагрузок до 300 мН, для достижения различного типа разрушения покрытия.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Трещины вдоль ребер отпечатка возникают при нагрузке индентирования 50 мН и более. Длина трещин в таком случае превышает толщину покрытия и соизмерима с размером отпечатка, что вносит погрешность в расчет данным методом. Для минимизации погрешности формулы № 1-4 были применены к трещинам, возникшим при ин-дентировании с максимальной нагрузкой 50 мН. Откол покрытия в виде линзы (результат образования канальных трещин) носит вероятностный характер: он возникает при нагрузке индентирования 200 мН и более, но может не возникнуть и при нагрузке выше 300 мН.
Испытание царапанием проводилось в направлении гранью вперед, соответствующем углу атаки при вершине индентора 55°. Твердость и модуль упругости покрытия определены методом индентирования [24]. Толщина покрытия определена по СЗМ-изображению проведенной царапины. Твердость покрытия: 40±4 ГПа, модуль упругости (Юнга) 355±20 ГПа, толщина покрытия 180±5 нм. Результаты измерения трещиностойко-сти приведены в табл. 2. Нумерация методов в табл. 1 и 2 совпадает. Все примененные методы измерения показывают достаточно большой разброс значений, что может быть связано с неоднородностью покрытия и случайным характером разрушения. Во время проведения испытаний произошли сколы двух алмазных наконечников, что, вероятно, связано с высокой твердостью исследуемого покрытия.
Таблица 2
Результаты измерения трещиностойкости покрытия
Table 2. Results of measurement of coating fracture __strength__
№ метода Максимальная нагрузка, мН Длина трещин на поверхности, мкм Вязкость разрушения, МПа-м1/2
1 50 0,4-0,9 4,8±2,2
2 50 0,4-0,9 4,3±2,0
3 50 0,4-0,9 3,0±1,4
4 50 0,4-0,9 4,8±2,6
5 50-300 0,4-7,6 5,2±2,3
6 200-300 13-26 4,6±0,8
7 15-20 - 6,9
ВЫВОДЫ
В результате индентирования пирамидальным наконечником в алмазоподобном покрытии возможно получить радиальные, полупенсовые и сквозные канальные трещины. На границе
раздела покрытия и подложки могут образовываться латеральные трещины, что свидетельствует о низкой адгезии алмазоподобного покрытия.
Задавая нагрузку испытания, можно смоделировать реальные условия эксплуатации и определить параметры трещиностойкости покрытия при таких условиях.
Все методы определения Кс требуют длинных серий испытаний для набора статистических данных. Определение Кс по радиальным и полупенсовым трещинам возможно при условии, что их длина меньше, чем толщина покрытия. Получение коротких трещин возможно при инденти-ровании на небольшую глубину с помощью острых пирамидальных инденторов (например, типа «угол куба»). Использование острых инденторов при испытании сверхтвердых (Н>20ГПа) покрытий требует постоянного контроля формы наконечника из-за высокой вероятности разрушения его острия. В методах определения трещиностойкости по канальным трещинам дополнительно требуется определение толщины покрытия. При откалывании покрытия по кольцевой трещине требуется определять как толщину покрытия, так и энергию образования скола, которую можно рассчитать из кривой нагружения-разгружения.
Для тонких покрытий (менее 200 нм) рекомендуется проводить испытания с нагрузкой, приводящей к образованию канальных трещин, сопровождающихся отслоением части покрытия. Данные условия соответствуют методу 6 из табл. 1 и 2. Параметры таких трещин более явно выражены, и в результате данный метод характеризуется наименьшим разбросом значений Кс. Для более толстых покрытий рекомендуется проводить испытания на минимальных нагрузках, вызывающих образование трещин. Это позволит исключить влияние подложки и напряженного состояния интерфейса на процесс измерения и, следовательно, повысить точность расчета вязкости разрушения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Asakawa R., Nagashima S., Nakamura Y., Hasebe T.,
Suzuki T., Hota A. // Surface & Coating Technology. 2011. V. 206. P. 676-685.
2. Тарала RA., Синельников Б.М. // Неорганические материалы. 2012. Т 48. №9. С. 1011-1016;
Tarala V.A., Sinel'nikov В.М. // Neorganicheskie Materials 2012. V. 48. N 9. P. 1011-1016 (in Russian).
3. Головин Ю.И. Наноиндентирование и его возможности: М.: Машиностроение. 2009. 312 е.;
Golovin Yu.I. Nano identetion and its possibilities: M.: Ma-shinostroeinie, 2009. 312 p. (in Russian).
4. Petit F., Sartieaux A.C., Gonon M., Camber F. // Acta Materialia 2007. V. 55. P. 2765-2774.
5. Sacai M., Bradt R.C. // International Materials Reviews. 1993. V. 38. N 2. P. 53-78.
6. Michel M.D., Muhlen L.V., Achete C.A., Lepienski C.M. // Thin Solid Film. 2006. V. 496. P. 481-488.
7. Jungk J.M., Boyce B.L., Buchheit T.E., Friedmann T.A., Yang D., Gerberich W.W. // Acta Materialia. 2006. V. 54. P. 4043-4052.
8. Xiaodong Li, Dongfeng D., Bhushan B. // Acta Materialia. 1997. V. 45. N 11. P. 4453-4461.
9. Evans A.G., Charles E.A. // J. Am. Ceram. Soc. 1976. V. 59. P. 371.
10. Lawn B.R., Evans A.G., Marshall D.B. // J. Am. Ceram. Soc. 1980. V. 63. P. 574.
11. Jae-il Jang, G.M. Pharr // Acta Materialia. 2008. V. 56. P. 4458-4469.
12. Niihara K., Morena R., Hasselman D.P.H. // J. Mater. Sci. Lett. 1982. V. 1. P. 13.
13. Niihara K. // J. Mater. Sci. Lett. 1983. V. 2. P.221.
14. Ouchterlony F. // Eng. Fract. Mech. 1976. V. 8. P.447.
15. Laugier M.T. // J. Mater. Sci. Lett. 1987. V. 6. P.897.
16. Lauger M.T. // Journal of materials science letters. 1987. V. 6. P. 355-356.
17. Thurn J., Cook R.F. // Journal of Materials Science. 2004. V. 39. P. 4809-4819.
18. Сошников А.И., Львова П.Л., Гоголинский K.R, Ку-либаба В.Ф. // Нанотехника. 2006. N 1. С. 64-67; Soshnikov A.I., L'vova N.A., Gogolinskiy, K.V., Kulibaba V.F. // Nanotekhnika. 2006. N 1. P. 64-67 (in Russian).
19. Williams J.A. // Tribology International. 1996. V. 29. N 8. P. 675-694.
20. Anttila A., Lappalainen R., Heinonen H., Santavirta S., Konttinen Y.T. // New Diamond Frontier and Carbon Tech-nol. 1999. V. 9. P. 283-288.
21. Anttila A., Tiainen V. M., Kiuru M., Alakoski E., Arstila
K. // Surface Engineering. 2003. V. 19. P. 425-428.
22. Useinov A.S., Useinov S.S. // Philosophical Magazine. 2012. V. 92. N 25-27. P. 3188-3198.
23. Useinov A., Gogolinskiy K.., Reshetov V. // International Journal of Materials Research. 2009. V. N 7. P. 968-972.
24. ISO 14577:2002.
