Studium mechanických vlastností tenkých vrstev

MASARYKOVA UNIVERZITA ˇ ˇ P RÍRODOV EDECKÁ FAKULTA Ú STAV FYZIKÁLNÍ ELEKTRONIKY

Studium mechanických vlastností tenkých vrstev Diplomová práce

Tomáš Novotný

Vedoucí práce: RNDr. Vilma Buršíková, PhD.

Brno 2012

Bibliografický záznam Autor:

Bc. Tomáš Novotný Pˇrírodovˇedecká fakulta, Masarykova univerzita Ústav fyzikální elektroniky

Název práce:

Studium mechanických vlastností tenkých vrstev

Studijní program:

Fyzika

Studijní obor:

Uˇcitelství fyziky a matematiky pro stˇrední školy

Vedoucí práce:

RNDr. Vilma Buršíková, PhD.

Akademický rok:

2011/12

Poˇcet stran:

65

Klíˇcová slova:

mechanické vlastnosti; tenké vrstvy; DLC; DSI; pˇrístroje; tvrdost; mikrotvrdost

Bibliographic Entry Author:

Bc. Tomáš Novotný Faculty of Science, Masaryk University Department of physical electronics

Title of Thesis:

Study of mechanical properties of thin films

Degree Programme:

Physics

Field of Study:

Upper Secondary School Teacher Training in Physics and Mathematics

Supervisor:

RNDr. Vilma Buršíková, PhD.

Academic Year:

2011/12

Number of Pages:

65

Keywords:

machanical properties; thin layers; DLC; DSI; instruments; hardness; microhardness

Abstrakt Práce je vˇenována studiu a popisu metod umožˇnujících stanovení materiálových parametr˚u tenkých vrstev, jako jsou napˇr. tvrdost, elastický modul, vnitˇrní pnutí, adheze vrstev k substrát˚um, otˇeruvzdornost, koeficient tˇrení, lomovou houževnatost, atd a to vˇcetnˇe historického vývoje. Nejvˇetší d˚uraz je kladen na metodu instrumentované indentace (DSI), u které je popsána teorie urˇcování charakteristik a i možné problémy pˇri jejich urˇcování. Uvedeme i souˇcasné komerˇcní pˇrístroje, které používají metodu DSI. V závˇeru bude uvedeno nˇekolik mˇeˇrení r˚uzných tenkých vrstev, u kterých budeme diskutovat jejich parametry.

Abstract In this thesis we will describe methods, which enable the determination of mechanical properties of thin films, such the hardness, elastic modulus, internal stress, adhesion of the films to the substrates, wear resistance, friction coefficient, fracture toughness, etc. Also we will look into history of measuring mechanical properties. The main focus will be on the instrumented indentation method (DSI), it’s theory and problems that they can occur. We also mention present commercial instruments based on DSi method. At the end we will present measurments of several different thin layers and we will discuss their parameters.

Podˇekování Na tomto místˇe bych chtˇel podˇekovat RNDr. Vilmˇe Buršíkové, Ph.D. za velkou ochotu a cenné rady, které mi byly pomocí pˇri psaní této práce. Dále bych chtˇel podˇekovat pˇredevším své rodinˇe a také pˇrátel˚um za dosavadní podporu ve studiu a v životˇe.

Prohlášení Prohlašuji, že jsem svoji diplomovou práci vypracoval samostatnˇe s využitím informaˇcních zdroj˚u, které jsou v práci citovány.

Brno 14. kvˇetna 2012

.......................... Tomáš Novotný

Obsah Kapitola 1. Historie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

1.1 Starovˇek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

1.2 Stˇredovˇek a Novovˇek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

1.3 Moderní doba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

Kapitola 2. Mechanické vlastnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

2.1 Deformace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

2.2 Tvrdost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

2.2.1 Vickersova tvrdost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

2.2.2 Brinellova tvrdost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

2.2.3 Rockwellova tvrdost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

2.3 Diferenciální tvrdost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

2.4 Tuhost a compliance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

2.5 Young˚uv modul pružnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

2.6 Lomová houževnatost a vnitˇrní pnutí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

2.7 Creep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

2.8 Deformaˇcní rychlost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

Kapitola 3. Zpusoby ˚ mˇerˇ ení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.1 Vtiskové metody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

3.1.1 Indentory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

3.2 Negativní vlivy pˇri mˇeˇrení pomocí DSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21 – vii –

3.2.1 Chyby pˇrístroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

3.2.2 Chyby vzorku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

3.3 Bulge test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

3.3.1 Ohyb mikronosníku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

3.4 Testy adheze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

3.4.1 Odtrhávací zkouška . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

3.4.2 Zkouška mˇrížkovým ˇrezem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

3.4.3 Tahová zkouška . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

3.4.4 Mercedes test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

3.5 Vrypová zkouška . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

3.5.1 Tvrdost urˇcená z vrypu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

3.6 Tribologické testy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34

3.6.1 Pin on disc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34

Kapitola 4. Pˇrístroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.1 Vnitˇrní prvky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

4.1.1 Ovládání . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

4.1.2 Detekce posunutí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

40

4.2 Komerˇcní pˇrístroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

4.2.1 Ultra Nanoindenter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

4.2.2 MTS Nanoindenter XP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44

4.2.3 TI 950 TryboIndenter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45

4.2.4 UMIS Nanoindenter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46

4.2.5 Fisherscope HM2000 XYp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

Kapitola 5. Experimentální cˇ ást . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 5.1 Depoziˇcní zaˇrízení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

49

5.2 PECVD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

49

5.3 Mˇeˇrící pˇrístroj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

50

5.3.1 Údržba a kalibrace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

51

Kapitola 6. Výsledky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

54

6.1 Dvojvrstvy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

54

6.1.1 DLC-SiO2 podobné vrstvy na kˇremíku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

55

6.1.2 DLC-SiO2 podobné vrstvy na skle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

56

6.1.3 DLC-SiO2 podobné vrstvy na oceli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

58

6.2 Supertvrdé vrstvy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

59

6.3 Polymerní vrstvy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

61

6.4 Praktická ukázka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

62

Seznam použité literatury . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

65

Úvod Tenké vrstvy hrají v souˇcasném svˇetˇe velkou roli. M˚užeme se s nimi setkat prakticky kdekoliv napˇríklad v lékaˇrství, v obrábˇecím pr˚umysl, v automobilovém pr˚umyslu, nebo tˇreba v mikroelktrotechnice. Proto jejich studium má nemalý význam a do budoucna pˇredstavuje toto odvˇetví velký potenciál. Samotná práce proto bude vˇenována pˇrehledu vlastností tenkých vrstev a zp˚usob˚u jejich urˇcování.

Práce je rozdˇelena do šesti kapitol. První kapitola je vˇenována historickému vývoji studiu mechanických vlastností. Ve druhé kapitole se uvádˇejí a teoreticky popisují jednotlivé veliˇciny, které lze mˇeˇrit metodou instrumentované indentace, jako jsou r˚uzné druhy tvrdosti, Young˚uv modul, nebo lomová houževnatost. Ve tˇretí kapitole se nejprve vracíme k vtiskové metodˇe, kterou lze rozdˇelit podle druhu použitého indentoru. Poté se upozorˇnuje na možné negativní vlivy, které se mohou pˇri mˇeˇrení vyskytnout jak na stranˇe pˇrístroje, tak na stranˇe vzorku. Dále zde ještˇe uvádíme metody mˇeˇrení mechanických vlastností vrypový test, ohybový test a jiné. Ve cˇ tvrté kapitole se zamˇeˇrujeme na pˇrístroje, které mechanické vlastnosti mˇeˇrí. Princip jakým v nich funguje ovládání zátˇeže a odeˇcítání hloubky posunutí hrotu. Posléze je uvedeno nˇekolik komerˇcních pˇrístroj˚u, které se na mˇeˇrení používají nejˇcastˇeji. V páté kapitole se seznamujeme s experimentálním zaˇrízením, na kterém byly vrstvy vytvoˇreny a také s pˇrístrojem Fishcerscope H100, který byl pak prakticky užit k mˇeˇrení. Poslední kapitole se na nˇekolika pˇripravených vrstvách a dvojvrstvách demonstruje, stanovení mechanických vlastností metodou instrumentované indentace.

–x–

Pˇrehled použitého znaˇcení Pro snažší orientaci v textu zde cˇ tenáˇri pˇredkládáme pˇrehled základního znaˇcení, které se v celé práci vyskytuje.

Wt

celková práce

We

elastická práce

Wp

plastická práce

Fmax

maximální p˚usobící síla

H

tvrdost

A

zbytková plocha

HV

Vickersova tvrdost

HU

univerzální tvrdost

h

hloubka vtisku

H pl

plastická tvrdost

HIT

vtisková tvrdost

Ap

pr˚umˇet kontaktní plochy indentoru

hc

hloubka pˇri maximální zátˇeži

hr

zbytková hloubka vtisku

ε

konstnta hrotu

HB

Brinellova tvrdost

D

pr˚umˇer kuliˇcky – xi –

Pˇrehled použitého znaˇcení

HR

Rockwellova tvrdost

Hd

diferenciální tvrdost

k

tuhost materiálu

~δ

zmˇena rozmístˇení cˇ ástic

Es

Young˚uv modul vzorku

Ei

Young˚uv modul indentoru

Er

redukovaný Young˚uv modul vzorku

νs

Poissonova konstanta vzorku

νi

Poissonova konstanta indentoru

β

konstanta hrotu

EIT

efektivní modul pružnosti vtisku

Wf r

deformaˇcní rychlost

Gint

mezifázová energie

Kint

lomová houževnatost

Eint

elastický modul

χr

parametr indentoru

C

délka prasklin

L

zátˇež indentoru

KIC

lomová houževnatost vrstvy

σ

vnitˇrní pnutí

Cr1

creep pˇri zatˇežování

Cr2

creep pˇri odlehˇcování

hmin

hloubka vtisku po odlehˇcování

hcr

hloubka po plastické vratné deformaci

ε

deformace

xii

Pˇrehled použitého znaˇcení

P

tlak

h

vyboulení vrstvy

t

tloušt’ka vrstvy

Lc

kritické zatížení

Ft

teˇcná síla pˇri vrýpání

Hs

vrypová tvrdost

Hp

rýhovací tvrdost

Fa

normálová síla pˇri vrýpání

Fn

síla pˇri vrýpání

ALB

pˇredpokládaná plocha nesoucí zátˇež pˇri vrypu

w

lokální šíˇrka vrypu

µP

souˇcinitel dynamického tˇrení

AP

kontaktní plocha vidˇená ve smˇeru normály

V

objem opotˇrebovaného materiálu

s

dráha hrotu

ε0

permitivita vakua

εr

permitivita dielektrika mezi deskami

d

vzdálenost desek kondenzátoru

C

kapacita kondenzátoru

xiii

Kapitola 1 Historie Mechanické vlastnosti látek jsou nedílnou souˇcástí lidské spoleˇcnosti a lidského pokroku a jistˇe budou hrát svou d˚uležitou i v budoucnu. V dobách dávno minulých lidé intuitivnˇe rozeznávali vlastnosti jako tvrdost, pružnost a kˇrehkost. Kdo mˇel tvrdší a pevnˇejší zbranˇe prorazil protivníkovo brnˇení a zvítˇezil, rovnˇež i ten, kdo mˇel kvalitnˇejší náˇradí, sklidil více obilí, cˇ i vyrobil více výrobk˚u.

1.1

Starovˇek

ˇ První pokusy o definici tˇechto veliˇcin nás pˇrivádˇejí do antického Recka k velkému filosofu Aristotelovi (384–322). Aristoteles (obr.1.1) se snažil popsat okolní svˇet systémem deseti kategorií viz. tabulka 1.1. Kategorie kvality se dˇelí do dalších cˇ tyˇr kategorií a druhou touto kategorií je „Pˇrirozená schopnost a neschopnost“. Do tohoto typu kvality patˇrí i tvrdost a mˇekkost, chápané u tvrdosti, že dané má „sílu“, aby nebylo dˇeleno a v pˇrípadˇe mˇekkosti naopak.

Aristotel˚uv žák Theofrastos (372–288) do velké míry pokraˇcoval ve šlépˇejích svého velkého uˇcitele. Theofrastos (obr.1.2) je jistˇe prvním velkým mineralogem svˇeta. V díle

–1–

Kapitola 1. Historie

2

Kategorie Pˇríklad Podstata k˚unˇ , cˇ lovˇek Kvantita dvouloketné, tˇríloketné Kvalita bílé, znalé gramatiky Vztah dvojnásobné, poloviˇcní Místo v Lykeiu, na námˇestí ˇCas vˇcera, vloni Poloha leží, sedí Mít má boty, má zdroj ˇ ˇreže, pálí Cinnost Trpnost je ˇrezán, je pálen Tabulka 1.1: Aristotelova kategorizace

Peri Lithon (O kamenech) popisuje chování minerál˚u pˇri zahˇrívání a pˇri vrypu. Všímá si také magnetismu, zbarvení drahých kamen˚u, fosílií, pozoruje pyroelektrický jev a mnohé další. Dalším velkým vˇedeckým zjevem antiky byl Plinius Starší (23–79). Své poznatky shrnul do knihy Historia Naturalis, která se vˇenuje mnoha disciplínám a také mineralogii, kde Plinius navazuje na Theofrasta.

Obrázek [16].

1.1:

Aristoteles.

Obrázek 1.2: Theofrastos. [17].


1.2

3

Stˇredovˇek a Novovˇek

Lidem trvalo dalších tisíc let, než se neobjevila další osobnost takových rozmˇer˚u jako Aristoteles a Theofrastos. Tou osobou byl perský, všestrannˇe talentovaný myslitel Al-Biruni (973–1048). Al-Biruni se zabýval astronomií, matematikou, historií, antropologií a v neposlední ˇradˇe i studiem minerál˚u a jejich vlastností. Byl také pr˚ukopníkem vˇedeckých metod a jejich užití k získání co nejpˇresnˇejších výsledk˚u. V díle nazvaném Kitab al-Jawahir (Kniha drahých kamen˚u) shrnuje stovky experiment˚u, které provádˇel na nejr˚uznˇejších materiálech. Ke každému minerálu je zde uvedena barva, v˚unˇe, tvrdost, váha, hustota. Hustoty zmˇeˇril s pˇresností na tˇri platná místa a nˇekteré hodnoty odpovídají pˇresností naší dobˇe.

Opˇet musíme poskoˇcit v cˇ ase, ale tentokráte jen o pˇet set let dopˇredu k Christianu Huygensovi (1629–1695) ten mimo jiné objevil, že tvrdost minerál˚u je vlastnost anizotropní, ˇreˇceno dnešními slovy záleží na vnitˇrní struktuˇre minerálu. Jako prvního pr˚ukopníka vtiskové metody lze oznaˇcit René Antoine Ferchault de Réaumur (1683–1757), který vyjadˇroval tvrdost jako pr˚unik hran dvojice trojbokých hranol˚u. Nizozemský vˇedec Pieter van Musschenbroek (1692–1761) zkonstruoval jeden z prvních pˇrístroj˚u sloužící k mˇeˇrení pevnosti materiál˚u. Na obrázku vidíme toto zaˇrízení, zkoumaný vzorek se upevnil, nahoˇre k vlastní konstrukci pˇrístroje a dole k vodorovnému ramenu, na které bylo možno vˇešet závaží a mˇenit jejich polohu dokud se vzorek nepˇretrhl.

1.3

Moderní doba

Pˇribývající poznatky o tvrdosti a dalších vlastnostech vedli k nutnosti uspoˇrádání materiál˚u dle tˇechto vlastností. Roku 1822 pˇredstavil Friedrich Mohs (1773–1839) svou desetistupˇnovou škálu tvrdosti. Ta se skládá z deseti hodnot a každé hodnotˇe je pˇriˇrazen jeden pˇrírodní materiál zastupující látky se stejnou tvrdostí. Do materiálu s urˇcitou tvrdostí lze rýpnout jen materiálem s vyšší tvrdostí a on sám m˚uže udˇelat vryp jen do materiálu s nižší


4

Obrázek 1.3: Musschenbroekuv pˇrístroj na mˇeˇrení pevnosti. [18] tvrdostí. Tato stupnice se však používá zejména v mineralogii, pro technické úˇcely se využívají stupnice jiné, protože vzdálenosti sousedních stupˇnu˚ nejsou stejné viz. tabulka 1.2. Bylo zapotˇrebí rovnˇež pˇrístroje, který by tvrdost mˇeˇril ne jen kvalitativnˇe, ale i kvantitativnˇe. Jedním z takových pˇrístroj˚u byl sklerometr. Princip spoˇcíval ve vrypu diamantového hrotu, na který se mohlo klást závaží. Pokud hrot zanechal v materiálu viditelnou stopu, nebo stopu dané šíˇre, urˇcila se dle aktuálního závaží na hrotu síla a dle velikosti této síly se mohly materiály rozˇrazovat. S vývojem a zdokonalováním sklerometru jsou spojena pˇredevším tato jména Thomas Johann Seebeck (1770–1831), Adolf Martens (1850–1914) a Thomas Turner (1861–1951).

ˇ ek Strouhal Dalším mˇeˇrením tvrdosti se zabýval i cˇ eský experimentální fyzik Cenˇ (1850–1922) a Ameriˇcan nˇemeckého p˚uvodu Carl Barus (1856–1935). Strouhal a Barus


5

Poˇradí Materiál Absolutní tvrdost 10 Diamant 1600 9 Korund 400 8 Topaz 200 7 Kˇremen 100 6 Živec 72 5 Apatit 48 4 Fluori 21 3 Kalcit 9 2 Kamenná s˚ul 3 1 Mastek 1 Tabulka 1.2: Mohsova stupnice tvrdosti

studovali tvrdost pomocí „termoelektrické mohutnosti“, sledovali tvrdost v závislosti na teplotˇe vzorku. Používali termoelektrického efektu a pozorovali, jak se mˇení napˇetí a elektrický odpor vzorku. Jelikož se výše dvˇe zmínˇené veliˇciny mˇení s teplotou velmi rapidnˇe, bylo možno s pˇresností jedna tisícina durˇcit tvrdost oceli za jakékoli teploty.

Jednou z nejvˇetších osobností teorie kontaktní mechaniky (tj. urˇcování tvrdosti a jiných vlastností z mechanické interakce) byl zajisté Heinrich Hertz (1857–1894). Tento všestranný fyzik položil základy teorie, která byla pozdˇeji plnˇe rozpracována a která se hojnˇe užívá dodnes. Hertz vyˇrešil problém kontaktu dvou pružných tˇeles se zakˇrivenými povrchy tj. pnutí, které vzniká v kontaktní oblasti dvou koulí o r˚uzných polomˇerech. Hertzovo ˇrešení má nˇekolik pˇredpoklad˚u: • Napˇetí musí být malé vzhledem k mezi pružnosti • Každé tˇeleso lze považovat za pružný poloprostor, tj. oblast kontaktu je mnohem menší než charakteristický polomˇer tˇelesa • Povrch je spojitý a nekonformní • Povrch je bez tˇrení Pokud je nˇekterá z tˇechto podmínek porušena, mluvíme o ne-Hertzovském problému.


Obrázek 1.4: Heinrich Hertz. [19]

6

Obrázek 1.5: Johan Brinell. [20]

Jistˇe dobrý teoretik, ale urˇcitˇe ještˇe lepší praktik byl Švéd Johan August Brinell (1849–1925). Švédsko je známo produkcí oceli a Brinell zasvˇetil život studiu vlastností oceli a pˇri fázových transformacích. Jeho neznámˇejší dílo bylo vydáno v Jernkonorets Annaler se jménem Om ståls texturförändringar under uppvärmning och avkylning (O strukturních zmˇenách v oceli pˇri ohˇrevu a ochlazování), kde si zejména všímal obsahu uhlíku a jeho vlivu na výslednou ocel. Avšak nejvˇetším jeho pˇríspˇevkem byla nová metoda mˇeˇrení tvrdosti. Tato metoda je nedestruktivní a principem je vtlaˇcování ocelové kalené kuliˇcky o rozmˇerech ˇrádovˇe milimetry do zkušebního tˇelesa urˇcitou silou. Tvrdost zvaná tvrdost podle Brinella se poté urˇcí z plochy vtisku a zatˇežovací síly. Tento test má pˇresnˇe danou cˇ eskou a mezinárodní normu. Podrobnˇe se budeme zabývat touto tvrdostí v další kapitole.

Albert F. Shore zavedl ve dvacátých letech minulého století metodu odrazové tvrdosti. Zjišt’uje se výška odskoku zkušebního tˇelesa od mˇeˇrené plochy. Pˇri nárazu dojde k plastické deformaci testovaného materiálu a zkušební tˇeleso pak ztratí energii a už nevystoupá do p˚uvodní výšky. Existuje nˇekolik stupnic, které se liší v hmotnosti a výšce, ze které zkušební tˇeleso padá. Tato metoda se používá jen velmi málo, zpravidla u polymer˚u,


7

gum a rovnˇež u vˇetších výrobk˚u a konstrukcí. Mnohem cˇ astˇejší metodou mˇeˇrení tvrdosti je zkouška Rockwellova. Stanley P. Rockwell (1886–1940) získal roku 1919 patent na svou metodu, která spoˇcívala v mˇeˇrení hloubky vtisku vnikajícího tˇelesa pˇri dvou zátˇežích pˇredbˇežné a celkové. Jako indentor (vnikající tˇeleso) se používá kužel nebo kuliˇcka.Existuje nˇekolik normalizovaných zkoušek tvrdosti dle Rockwella a rovnˇež ˇrada pˇrístroj˚u pracuje na principu této metody. Více se jí budeme zabývat další kapitole. Další hojnˇe užívanou metodou je Vickersova zkouška, která byla zavedena roku 1921 Robertem L. Smithem a Georgem E. Snadlandem.

Roku 1938 zkonstruoval Hanemann mikrotvrdomˇer s indentorem upevnˇeným na objektivu mikroskopu, což mu umožnilo sledovat vtisky okamžitˇe po jejich provedení. Rok poté Ameriˇcané Frederick Knoop, C.G. Peters a W. Emerson navrhli indentor pyramidového tvaru. V roce 1976 Nˇemci Dengel a Kroeske sestavili mikrotvrdomˇer s paraboloidním indentorem a automatickou regulací zátˇeže, velikosti vtisku a pr˚ubˇehu vnikání. Toto zaˇrízení již obsahovalo mikroprocesor a m˚užeme jej považovat za první z nové generace pˇrístroj˚u, které na mˇeˇrení tvrdosti používáme dodnes.

Za zmínku stojí rovnˇež Poldi kladívko (viz obr. 1.6), které bylo vyrobeno krátce po druhé svˇetové válce v hutích na Kladnˇe. Kladívko Poldi se skládá z pouzdra, do nˇehož je vkládána porovnávací tyˇcinka známé tvrdosti (etalon). Tyˇcinka je svorníkem a pružinou pˇritlaˇcována ke kuliˇcce o pr˚umˇeru 10 mm jedná se tak vlastnˇe o zkoušku podle Brinella. Pˇri vlastní zkoušce se tvrdomˇer pˇriloží ke zkoušenému materiálu tak, aby kuliˇcka dosedla na zkoušené místo a osa tvrdomˇeru byla kolmá k povrchu zkušebního pˇredmˇetu. Na horní cˇ ást tvrdomˇeru se udeˇrí ruˇcním kladivem, ráz se pˇrenese na kuliˇcku a ta vytvoˇrí vtisky ve zkoušeném pˇredmˇetu i v etalonu (sílu úderu není tˇreba mˇeˇrit, jelikož pomˇer velikosti obou vtisk˚u z˚ustává zachován nezávisle na p˚usobící síle). Po vyjmutí porovnávací tyˇcinky z pˇrístroje se lupou s mˇeˇrítkem stanoví pr˚umˇer vtisku d1 v etalonu i pr˚umˇer vtisku d2 ve zkoušeném materiálu. Tvrdost zkoušeného materiálu je potom stanovena z tabulek podle hodnot


8

d1 a d2 . Tabulky platí pro porovnávací tyˇcinku z oceli o pevnosti Rm = 686,5 MPa. [21]

Obrázek 1.6: Schéma kladívka Poldi. [21]

Obrázek 1.7: Sada kladívka Poldi. [22].

Kapitola 2 Mechanické vlastnosti V této kapitole se budeme vˇenovat teoretickému popisu mechanických vlastností tenkých vrstev a pˇríklad˚um jejich mˇeˇrení. Metoda DSI (Depth Sensing Indentation) neboli metoda instrumentované indentace je jedním z nejrozšíˇrenˇejších zp˚usob˚u mˇeˇrení mechanických vlastností. Spoˇcívá ve vniknutí nejˇcastˇeji diamantového indentoru urˇcitého tvaru do vrstvy a záznamu pr˚ubˇehu zatˇežovací a odlehˇcovací cˇ ásti vniku indentoru.

2.1

Deformace

Deformací se rozumí zmˇena tvaru tˇelesa v d˚usledku p˚usobení vnˇejších sil. Síly mˇení vzájemné polohy atom˚u tˇelesa. Mohou nastat dva pˇrípady deformace: • elastická (pružná) - pokud pˇrestanou p˚usobit vnˇejší síly, tˇeleso se vrátí do svého p˚uvodního tvaru (pˇr. napnutí pružiny, zmáˇcknutí mazací houby) • plastická (nepružná) - tˇeleso se nevrátí do svého p˚uvodního tvaru po vymizení vnˇejších sil Pˇri indentaci vlastnˇe provádíme deformaci tˇelesa v našem pˇrípadˇe tenké vrstvy. A zaznamenáváme pr˚ubˇeh zatížení a hloubku vtisku. Pokud by byla napˇríklad po celou dobu vtisku deformace elastická, nevidˇeli bychom po testu žádnou zmˇenu povrchu vzorku. Pˇri –9–

Kapitola 2. Mechanické vlastnosti

10

zatˇežovací cˇ ásti dochází ve vzorku k napínání meziatomových vazeb, což je deformace elastická a nˇekteré vazby se mohou i porušit a dochází tak i k deformaci plastické. Bˇehem odlehˇcovací cˇ ásti se v naprosté vˇetšinˇe pˇrípad˚u projeví jen deformace elastická. Celková práce Wt je tedy plocha pod zatˇežovací kˇrivkou, elastická práce We je plocha pod odlehˇcovací kˇrivkou a plastická práce Wp je plocha mezi obˇema kˇrivkami. Podle tohoto m˚užeme psát: Z hmax

Wt =

h=0

Fload dh

(2.1)

Funload dh

(2.2)

Z hmax

We =

hmin

Wp = Wt −We

(2.3)

Legenda k obrázku ??: a - zatˇežovací kˇrivka , b odlehˇcovací kˇrivka , c teˇcna k odlehˇcovací kˇrivce pˇri Fmax , hr plastická hloubka po úplném odlehˇcení, h p redukovaná hloubka vtisku, je to pr˚useˇcík teˇcny c a osy h, hmax hloubka dosažená pˇri zátˇeži Fmax

Obrázek 2.1: Schématický graf popisující pr˚ubˇeh vtiskového testu. [6]


11

Obrázek 2.2: Vickers˚uv hrot z profilu a z podhledu.

2.2

Tvrdost

Tvrdost je vlastnost, která charakterizuje odolnost materiálu v˚ucˇ i vnikání zkušebního tˇelesa a vypoˇcteme jako podíl maximální p˚usobící síly Fmax a zbytkové plochy vtisku A jednotkou této tvrdosti je tedy Pascal.

2.2.1

Vickersova tvrdost

[6] V pˇrípadˇe Vickersovy tvrdosti má indentor tvar pravidelného jehlanu s vrcholovým úhlem α = 136◦ .

H=

Fmax . A

(2.4)

Ve Vickersovˇe tvrdosti platí pro zbytkovou plochu A vztah

A=

d2 , 2 sin α2

(2.5)

kde d je aritmetický pr˚umˇer délek úhlopˇríˇcek zbylého vtisku. Pˇri znalosti α = 136◦ m˚užeme výsledný vztah pro Vickersovu tvrdost psát ve tvaru 0, 1891Fmax HV ∼ = d2

(2.6)


12

kde F je v newtonech a d je v milimetrech. Analýzou zatˇežovacích a odlehˇcovacích kˇrivek jsme schopni urˇcit: • univerzální tvrdost HU, která v sobˇe zahrnuje elastickou i plastickou deformaci materiálu a je definována jako podíl okamžité zatˇežovací síly a okamžité kontaktní plochy HU =

F , 26, 43h2

(2.7)

kde h je hloubka vtisku v milimetrech. • plastickou tvrdost H pl , která nám vypovídá o odporu materiálu k plastické deformaci a je dána jako H pl =

Fmax , 26, 43h2r

(2.8)

kde hr je pr˚useˇcík teˇcny sestrojené na odlehˇcovací kˇrivce v bodˇe Fmax a osy hloubky vtisku, neboli hr = hmax −

F . dF/dh

(2.9)

• Další hojnˇe využívanou tvrdostí je vtisková tvrdost HIT. Tato veliˇcina rovnˇež charakterizuje odolnost materiálu v˚ucˇ i plastické deformaci. Definována je vztahem:

HIT =

Fmax Fmax = . AP 26, 43 · h2c

(2.10)

kde A p znaˇcí pr˚umˇet kontaktní plochy indentoru do vzdálenosti hc , tato vzdálenost je hloubka dosažená pˇri síle Fmax . hc = hmax − ε

F = hmax − ε(hmax − hr ) . dF/dh

(2.11)

ε je v tomto pˇrípadˇe parametr závislý na geometrii indentoru. Porovnáním vztah˚u 2.11 a 2.9 vidíme, že hr je speciálním pˇrípadem hc . Pro plochý indentor je ε = 1, pro kouli, rotaˇcní paraboloid a Vickers˚uv indentor je ε = 0, 75 a pro kužel je ε = 0, 73. Nutno podotknout, že výrobce Fisherscope zvolil cestu ε = 1, pˇri bˇežných pˇrípadech


13

mˇeˇrení se nejedná o problém, ale v extrémním pˇrípadˇe m˚uže tato volba hodnoty parametru vést k znaˇcným chybám.

2.2.2

Brinellova tvrdost

Brinellova tvrdost charakterizuje materiál˚u na základˇe vniknutí indentoru ve tvaru kuliˇcky do materiálu. Nejˇcastˇeji se užívá ocelové kuliˇcky o pr˚umˇeru 10 mm, která je pˇripojena k indentoru o zatˇežovací síle 29 kN. Pro mˇekˇcí materiály se užívá menší síly, pro tvrdší materiály se uplatˇnuje kuliˇcka vyrobená z karbidu wolframu. Doba p˚usobení síly rovnˇež závisí na materiálu. U slitin železa se doba zatížení pohybuje od 10 do 15 sekund, u neželezitých slitin od 10 do 1800 sekund. Vztah pro Brinellovu tvrdost:

HB = 0, 102

2F p , πD(D − (D2 − d 2 ))

(2.12)

kde F je zatˇežovací síla (N), D je pr˚umˇer kuliˇcky (mm) a d je pr˚umˇer vtisku. Oznaˇcení HB znamená Brinell Hardness a bˇežnˇe se užívá jako mezinárodní oznaˇcení této tvrdosti. M˚užeme se setkat ještˇe se zkratkou HBW a HBS. První oznaˇcuje Brinellovu tvrdost pˇri použití wolframové kuliˇcky (W = wolfram) a druhé pˇri použití ocelové kuliˇcky (S = steel). V praxi se napˇríklad setkáme s vyjádˇrením HBW 10/3000/20, které znamená, že bylo užito kuliˇcky z karbidu wolframu o pr˚umˇeru 10 mm, pˇri síle 3000 kp za dobu 20 s. ˇ ˇ V Cesku upravuje mˇeˇrení Brinellovou metodou norma CSN EN ISO 6506-1. [26]

2.2.3

Rockwellova tvrdost

Zp˚usob mˇeˇrení Rockwellovy tvrdosti je v porovnání s Brinellovou a Vickersovou metodou trochu odlišný. Indentorem je ocelová kuliˇcka o pr˚umˇeru 1,5875 mm, nebo diamantový kužel s vrcholovým úhlem α = 120◦ a polomˇerem kulové cˇ ásti 0,2 mm. Mˇeˇrení probíhá ve dvou fázích. Nejprve se dotýkající se ocelová kuliˇcka, nebo diamantový kužel pˇredbˇežnˇe zatíží silou 100 N. Hloubku, do které se indentor dostane, budeme považovat za


14

Obrázek 2.3: Brinelluv indetor a jeho vtisk. [23] výchozí polohu pro mˇerˇení hloubky vtisku. Úˇcelem tohoto pˇredbˇežného zatížení je eliminovat pˇrípadné vady povrchu, které by mohly zkreslit výslednou hloubku. Po dosažení výchozí polohy pˇri 100 N zatˇežovací síla vzroste tak, aby za 3–5 sekund dosáhla požadované hodnoty pˇredepsané normou. Pak zatˇežovací síla klesne znovu na 100 N a zmˇeˇrí se pˇrír˚ustek hloubky h oproti výchozí poloze, která byla rovnˇež mˇeˇrena pˇri 100 N. Rockwellova metoda je velmi rychlá, jednoduchá a vtisky mívají hloubku do 0,2 mm. Užívá se pˇri bˇežných kontrolách velkých sérií výrobk˚u. Rockwell˚uv hrot se rovnˇež používá pro test adheze (více v kapitole 3). [25]

Existuje nˇekolik variant této metody lišících se zátˇeží, indentorem a použitím: • HRA - zátˇež 60kp, diamantový kužel, používá se pˇri testování karbid˚u • HRB - zátˇež 100kp, ocelová kuliˇcka o pr˚umˇeru 1,588 mm, používá se pˇri testování hliníku, mosazi a mˇekkých ocelí • HRC - zátˇež 150kp, diamantový kužel, používá se pˇri tvrdých ocelí


15

Obrázek 2.4: Urˇcování hloubky h dle Rockwella. • HRD - zátˇež 100kp, diamantový kužel • HRE - zátˇež 100kp, ocelová kuliˇcka o pr˚umˇeru 3,175 mm • HRF - zátˇež 60kp, ocelová kuliˇcka o pr˚umˇeru 1,588 mm • HRG - zátˇež 150kp, ocelová kuliˇcka o pr˚umˇeru 1,588 mm

2.3

Diferenciální tvrdost

ˇ Diferenciální tvrdost je velmi citlivé mˇeˇrení relativních zmˇen tvrdosti. Casto se využívá pˇri promˇeˇrování nehomogenních vrstev, nebo pokud je struktura vrstvy závislá na mˇenících se vnˇejších podmínkách. D˚uležitým pˇrínosem této metody je, že umožˇnuje mˇeˇrit hloubku vrstvy. Nebot’ tato metoda je závislá na relativních zmˇenách tvrdosti, takže v grafu závislosti diferenciální tvrdosti na hloubce vtisku bývá dobˇre vidˇet rozhraní, kde se parametry vrstvy mˇení v parametry substrátu. Vztah pro diferenciální tvrdost:

Hd =

dF . dA

(2.13)


2.4

16

Tuhost a compliance

Tuhost materiálu k nám narozdíl od tvrdosti ˇríká, jak rychle se daný materiál vrátí do p˚uvodního tvaru, poté co byl nˇejakým zp˚usobem elasticky deformován.

~δ k = ~F .

(2.14)

kde ~F je p˚usobící síla a ~δ je zmˇena rozmístˇení cˇ ástic zp˚usobené p˚usobící silou a k je matice popisující tuhost. Maticový popis je zde nutný, nebot’ element hmoty se pˇri elastické deformaci, m˚uže pohybovat kolem více stupˇnu˚ volnosti. Inverzní veliˇcinou k tuhosti je compliance.

2.5

Younguv ˚ modul pružnosti

Modul pružnosti lze rovnˇež vypoˇcítat na základˇe znalosti zatˇežovací kˇrivky. 1 − νs2 1 − νi2 1 = + . Er Es Ei

(2.15)

kde Es , νs a Ei , νi jsou Youngovy moduly a Poissonovy konstanty vzorku resp. indentoru. Poissonova konstanta oznaˇcuje pomˇer relativního prodloužení k relativnímu pˇríˇcnému zkrácení. Er je redukovaný modul pružnosti a m˚užeme ho urˇcit ze vztahu: √ π dF/dhmax √ Er = , 2β A

(2.16)

kde β je konstanta závislá na geometrii hrotu a dF/dhmax je smˇernice teˇcny k odlehˇcovací kˇrivce na zaˇcátku odlehˇcovací fáze, kdy je pr˚ubˇeh této kˇrivky témˇeˇr lineární. Tato smˇernice se nˇekdy nazývá odlehˇcovací tuhost a znaˇcí se:

S = S(hmax ) =

dF , dh

Lze také urˇcit efektivní modul pružnosti vtisku (modul elastické vratnosti).

(2.17)


17

Es , 1 − νs2

EIT =

2.6

(2.18)

Lomová houževnatost a vnitˇrní pnutí

Lomovou houževnatostí lze chápat odolnost materiálu vrstvy v˚ucˇ i lomu, tedy cˇ ím vˇetší houževnatost vrstva má, tím h˚uˇre se vrstva láme. Kvantitativnˇe je houževnatost mírou práce potˇrebné k rozdˇelení materiálu na dvˇe cˇ ásti. Mˇeˇrení této veliˇciny pomocí indentoru lze jen tehdy, pokud dojde pˇri vrypu k delaminaci. Z pr˚ubˇehu zatˇežovací kˇrivky lze víceménˇe snadno urˇcit, kdy nastala zmˇena rozhraní. Z této informace jsme schopni urˇcit deformaˇcní práci ∆W f r a díky ní a polomˇeru delaminované oblasti c urˇcíme mezifázovou energii Gint .

Gint =

∆W f r . πc2

(2.19)

Vlastní lomová houževnatost Kint je dána vztahem:

Kint

p = Gint Eint ,

1 1 = Eint 2

1 1 + E f Es

,

(2.20)

kde Eint je elastický modul rozhraní definovaný podle Hutchinsona a Suoa a E f a Es jsou elastické moduly vrstvy a substrátu. Vnitˇrní pnutí je napˇetí, které vzniká ve vrstvˇe zejména po jejím vytvoˇrení, nebo tepelném opracování. Konkrétnˇe m˚uže dojít ke zmˇenˇe hustoty odstranˇením nadpoˇcetných ˇ vakancí, cˇ i dislokací, nebo ke zmˇenˇe chemické struktury. Castým vznikem napˇetí je také rozdílnost koeficient˚u teplotní roztažnosti vrstvy a podložky. Existují dvˇe formy pnutí : • tlakové - kdybychom pˇri tlakovém pnutí teoreticky oddˇelili vrstvu od podložka vrstva by se roztáhla, pˇri tomto pnutí má vrstva tendenci delaminovat se


18

• tahové - pˇri tahovém pnutí by se naopak vrstva po oddˇelení stáhla, vysoké tahové pnutí zp˚usobuje vznik prasklin, tento efekt m˚uže být ještˇe zesílen malou lomovou houževnatostí vrstvy Vnitˇrní pnutí m˚užeme urˇcit indentaˇcní (vtiskovou) metodou podle vztahu:

χr LC

−1,5

0,5 C = KIC − 2σ , π

(2.21)

kde χr je parametr závislý na tvaru indentoru a materiálu vrstvy, L je zátˇež indentoru, C celková délka prasklin kolem vrypu, KIC lomová houževnatost vrstvy a σ vnitˇrní pnutí. [6]

Obrázek 2.5: Snímek rozdroleného vtisku v d˚usledku tlakového pnutí. [6]

Obrázek 2.6: Projev tahového pnutí na vrstvˇe s nízkou houževnatostí. [2]


19

Obrázek 2.7: Pˇríˇciny vzniku tahového a tlakového pnutí ve vrstvˇe. [2]

2.7

Creep

Creep je tendence materiálu se pozvolna pohybovat, nebo plasticky mˇenit sv˚uj tvar pˇri p˚usobení mechanického napˇetí. Dochází tak k velmi pomalému teˇcení pevné látky, proto se nˇekdy creep do cˇ eštiny pˇrekládá právˇe jako teˇcení. Pˇri indentaci se creep projeví, když zatˇežovací síla dosáhne maxima a nˇejaký cˇ as je na této hodnotˇe udržována.

Cr1 =

h2 − h1 · 100% , h1

(2.22)

kde h1 je hloubka, kterou jsme dosáhli po ukonˇcení postupného zvyšování zátˇeže za dobu t1 a h2 je hloubka, kterou jsme dosáhli za konstantní hodnoty zátˇeže p˚usobící po dobu t2 .

Druhý creep m˚užeme pozorovat pˇri ukonˇcení indentace.

Cr2 =

hmin − hcr · 100% , hmin

(2.23)

kde hmin je hloubka vtisku po odlehˇcovací fázi a hcr je hloubka po plastické vrátné deformaci. Z obou dvou vztah˚u je zˇrejmé, že se creepy se vyjadˇrují v procentech.


2.8

20

Deformaˇcní rychlost

Deformaˇcní rychlost se zavadí, abychom mohli popisovat tvrdost v závislosti na této veliˇcinˇe. U vrstev, které vykazují velký creep, m˚uže dojít k tomu, že tvrdost a jiné veliˇciny, které mˇeˇríme, jsou deformovány právˇe creepem. Výsledky, které pak dostáváme nem˚užeme interpretovat jako pravdivé parametry vrstvy. Rychlost deformace m˚užeme zavést nˇekolika zp˚usoby:

ε˙ = −

1 da , a dt

(2.24)

ε˙ = −

1 dh , h dt

(2.25)

1 dA , A dt

(2.26)

ε˙ = −

kde h je hloubka vtisku, a je diagonála a A je plocha vtisku. Závislost H(ε˙ ) se ve vˇetšinˇe pˇrípad˚u nechá v grafu fitovat mocninnou funkcí. Správnou tvrdost (bez vlivu creepu) m˚užeme urˇcit tehdy až se tato závislost stane lineární. [5]

Kapitola 3 Zpusoby ˚ mˇerˇ ení V této kapitole se budeme vˇenovat r˚uzným druh˚u metod mˇeˇrení mechanických vlastností. Urˇcení materiálových konstant lze provádˇet mnoha metodami podle toho, kterou vlastnost chceme zrovna mˇeˇrit. Nˇekdy existuje i více metod na mˇeˇrení jedné vlastnosti a je potˇreba se rozhodnout, která bude výhodnˇejší.

3.1

Vtiskové metody

Vtiskové testy jsou v posledních letech jednou z nejpoužívanˇejších metod urˇcování mechanických vlastností tenkých vrstev. Stalo se tak díky snížení velikosti testovacích zátˇeží a rozvoji poˇcítaˇcové techniky a senzor˚u, které umožˇnují pˇresnˇe sledovat závislost zátˇeže na hloubce. V anglicky mluvicích zemích se této metodˇe ˇríká Depth Sensing Indentation (DSI) do cˇ eštiny se pˇrekládá jako Instrumentovaný vtiskový test.

3.1.1

Indentory

Existuje nˇekolik základních typ˚u indentor˚u, které se mohou lišit jednat materiálovým složením a pˇredevším geometrií hrotu. V pˇredchozí kapitole, kde jsme popisovali teorii této metody, se v mnoha vztazích objevovaly konstanty závislé právˇe na složení a tvaru hrotu. – 21 –

Kapitola 3. Zp˚usoby mˇerˇení

22

Obrázek 3.1: Typy indentor˚u: a) Vickers˚uv, b) Berkovich˚uv, c) Knoop˚uv, d) kuželový, e) Rockwell˚uv, f) Binell˚uv. [2] Materiálové složení hrotu nenabízí moc prostoru pro variace. Chceme, aby byl hrot, co nejtvrdší, abychom mohli testovat, co nejvíce materiál˚u. Proto bývá nejˇcastˇejší volbou diamant (E = 1140 GPa, ν = 0, 07). Jiné materiály jako jsou napˇr. nitridy kˇremíku a bóru, karbidy kˇremíku se užívají jen za vyjímeˇcných podmínek, jako jsou napˇr. vysoké teploty, kdy nelze diamantu užíti.

R˚uzné tvary hrotu viz. 3.1 vznikaly postupem cˇ asu a nˇekteré jsou spojeny jménem se svými tv˚urci. Dodnes se mnohé z nich používají. Není tomu tak kv˚uli tradici, ale protože se r˚uzné materiály chovají jinak pˇri indentaci r˚uznými hroty.

Vickersovuv ˚ indentor má tvar cˇ tyˇrbokého jehlanu, který je zhotoven z diamantu. Díky symetrii se lehce m˚uže vypoˇcítat plocha vtisku a celkový teoretický popis se tak velmi zjednodušuje. Vickers˚uv hrot se nejˇcastˇeji používá pˇri mikroindentaci. Berkovichuv ˚ indentor má tvar trojbokého jehlanu vyrobeného z diamantu. Ve výsledcích dává tato metoda velmi podobné údaje jako metoda Vickersova. Existují dvˇe modifikace Berkovichova testu, standardní a modifikovaná. Vzájemnˇe se liší úhlem α. Standardní metoda má stejný pomˇer aktuální plochy ku cˇ tverci hloubky jako Vickers. Modifikovaná metoda má stejný pomˇer projektované plochy ku cˇ tverci hloubky jako Vickers. U Berkovichova hrotu lze dosáhnout vˇetší ostrosti než u Vickersovy metody, nebot’ trojboký jehlan lze z diamantu utvoˇrit velmi pˇresnˇe, kdežto na vrcholu cˇ tyˇrbokého m˚uže vzniknout stˇríška s polomˇerem kolem 600 nm. Berkovichova metoda se užívá pro vrstvy tenˇcí než 200 nm


23

a tvrdší než 1 GPa. Knoopova metoda využívá cˇ tyˇrbokého jehlanu s obdelníkovou podstavou, která má pomˇer stran 1:7. Hrot je zhotoven z diamantu. Tvrdost se spoˇcte :

Hk =

14, 2F . l2

(3.1)

kde F je zatˇežovací síla a l délka delší úhlopˇríˇcky ve vtisku. Knoop˚uv indentor se hodí k mˇeˇrení tvrdších materiál˚u, protože je lépe opticky vidˇet vtiskovou plochu. Knoop se nejˇcastˇeji používá pˇri mˇeˇrení mikrotvrdosti. Kubický indentor má tvar krychle a vtisk se provádí jejím vrcholem. Je to vlastnˇe Vickers˚uv hrot s vrcholovým úhlem 90◦ . Právˇe tento vrcholový úhel je pˇríˇcinou, že kubické indentory jsou velmi ostré, polomˇer vrcholku nepˇresahuje 30 nm. Tento typ indentoru se hodí jak na mikro, tak na nanoindentaci, nebo když se už pˇri malých zátˇežích projeví plastická deformace. Sférické a kónické indentory mají polomˇer hrotu v rozmezí 0, 5µm až 100µm. Tyto indentory se nejvíce užívají pro materiály mˇekˇcí než 0,5 GPa napˇr. pro r˚uzné gumovité materiály.

3.2

Negativní vlivy pˇri mˇerˇ ení pomocí DSI

Metoda instrumentované indentace (DSI) nám umožˇnuje nepˇrímo urˇcit tvrdost na základˇe pˇresnˇe zmˇeˇrené hloubky vtisku a zatˇežovací síly. Pˇri jakémkoliv mˇeˇrení je jedním ze základních dovedností umˇet odhalit a pokud je to možné, co nejvíce potlaˇcit vliv chyb. Pˇri DSI lze chyby rozdˇelit do dvou hlavních kategorií, chyby pˇrístroje a chyby vzorku.


3.2.1

24

Chyby pˇrístroje

Urˇcení nulové polohy Nulová poloha mˇeˇrení je taková, pˇri které se hrot indetoru právˇe dotýká povrchu vzorku. Této poloze se pak pˇriˇradí nula a hloubka se poté mˇeˇrí od tohoto bodu. V praxi tuto polohu dotyku nem˚užeme urˇcit. Proto indetaˇcní pˇrístroj vyvine nejmenší možnou zatˇežovací sílu (ˇrádovˇe desítky nanometr˚u) a provede se vtisk. Hloubka vtisku bude pak nulovým bodem. Problém m˚uže nastat pokud je právˇe toto urˇcení polohy u pˇrístroje poškozeno. Náprava je možná kalibrací. Druhý problém je, že tento “minimální”vtisk ovlivní následující vtisky. Pro výpoˇcet skuteˇcné hloubky lze použít Hertzovi rovnice. Indentor Vlastní hrot by mˇel být naprosto cˇ istý. Jelikož se pohybujeme na mikroúrovni m˚uže i malá neˇcistota poškodit geometrii hrotu a tím zapˇríˇcinit chyby. Další potíží je nepˇresná geometrie hrotu. Vyrobit hrot o pˇresnˇe stanovených parametrech je témˇeˇr nemožné. Proto se i výsledná plocha vtisku liší od teoretického popisu, který pˇredpokládáme ze známé geometrie. Zavádí se korekˇcní faktor, který je dán pomˇerem reálné a ideální plochy. Reálnou plochu m˚užeme zjistit napˇríklad pomocí AFM. Nejˇcastˇeji ji ale urˇcujeme pomocí série vtisk˚u do etalonu. Vliv teploty Samozˇrejmostí by mˇelo být, aby vzorek a indentor mˇeli stejnou teplotu. Pˇri vlastním mˇeˇrení však m˚uže dojít k zahˇrátí hrotu. V zatˇežovacím grafu pozorujeme creep. Ten m˚uže být zp˚usoben teˇcením materiálu pˇri konstantní zátˇeži, nebo m˚uže být zp˚usoben zmˇenou velikosti hrotu v d˚usledku tepelného driftu. Z grafu se nedá poznat, který jev nastal, cˇ i pˇrevládl. Existují však metody, jak urˇcit tepelný drift resp. rychlost tepelného driftu. Ta se pak aplikuje na zatˇežovací kˇrivku a tím se provede korekce. [3]


3.2.2

25

Chyby vzorku

Hrubost povrchu Aˇc se nám m˚uže zdát napˇr. deska stolu rovná, už pokud se podíváme lupou, vidíme drobné ˇ odˇerky v laku, nebo nerovnosti dˇreva a to jsme teprve na milimetrové škále. Cím více se pˇribližujeme, tím více se nerovnosti povrchu jeví vˇetší a mohou tak ovlivnit mˇeˇrení. Ideálního pˇrípadu povrchu jako geometrické roviny nelze bˇežnˇe dosáhnout. Nerovnosti povrchu mohou mít sv˚uj p˚uvod pˇri výrobˇe vzorku, nebo následných mechanických, cˇ i chemických interakcích s okolím. Pokud mˇeˇríme tvrdost vtiskovou metodou na makro úrovni napˇr. kladívkem Poldi (viz. kapitola 1), m˚užeme tyto nerovnosti zanedbat. Avšak pokud se dostaneme na mikro, nebo dokonce na nano úroveˇn, musíme hrubost vzít v potaz. Velká hrubost by mohla mít obecnˇe vliv na dosednutí hrotu tedy mohla by se nám zkreslit nulová poloha, nebo kontaktní plocha vtisku.

Zjišt’ováním topografie povrchu se zabývá obor profilometrie. Jednou z možností je AFM (Atomic Force Microscope), který využívá pˇritažlivých a odpudivých meziatomových sil mezi hrotem a vzorkem. Další možností optická profilometrie, která je založena na aberaci ˇ cky mají chromatickou vadou, která zp˚usobuje, že se r˚uzné vlnové délky lámou cˇ oˇcky. Coˇ jinak viz. obrázek 3.2. Rozsah pˇrístroje v ose z je 0 až 300 µm s rozlišením 10 nm, v rovinˇe xy je rozlišení 1 µm. Díky topografii povrchu, kterou získáme jednou z tˇechto metod, m˚užeme následnˇe zvolit optimální místo pro vtisk. Vliv velikosti vtisku Pro homogenní izotropní materiál bychom oˇcekávali jednu hodnotu tvrdosti, která nebude záviset na velikosti zatˇežovací síly. Avšak u zatížení 5 N a ménˇe, cˇ asto pozorujeme nár˚ust tvrdosti. Tomuto jevu se ˇríká Indetation Size Effect - ISE. Tento jev m˚uže být zp˚usoben pˇrítomností tenké vrstviˇcky odlišné tvrdosti, která vznikla na p˚uvodní vrstvˇe napˇr. oxidací. Pˇri vˇetších zátˇežích hrot tenkou vrstviˇckou hladce projde, ale


26

Obrázek 3.2: Schéma optického profilometru. [27] pˇri menších a menších zátˇežích, resp. hloubkách vtisku, zaˇcínáme postupnˇe stále a stále mˇeˇrit tuto tenkou vrstviˇcku na úkor vrstvy pod ní. Ale i když tento efekt eliminujeme, stále m˚užeme ISE pozorovat. Možná vysvˇetlení jsou: • pˇrítomnost tˇrení mezi hrotem a vzorkem tam, kde ho teorie nepˇredpokládá • povrchových efekt, který vyplývá z energie rozprostˇrené na povrchu, reprezentující práci konanou zatˇežovací silou proti zdánlivému povrchovému napˇetí • nukleace dislokací v rámci zóny plastické deformace [5] Na všechny možnosti existují teoretické modely, které nám umožˇnují udˇelat korekce. Popis tˇechto model˚u je složitý, proto jen sdˇeluji, že existují a jakou mají premisu, avšak podrobnˇe se jim vˇenovati nebudu. Náklon vzorku Indentace vyžaduje, aby byl vtisk probíhal kolmo na povrch vzorku. Pokud se tak nedˇeje, je plocha vtisku závislá na úhlu odklonu. Dochází tak k nepˇresnému urˇcení hloubky vtisku. Náprava je jednoduchá, jelikož vˇetšina pˇrístroj˚u obsahuje proceduru, která kolmost hrotu (nebo též planaritu vzorku) zajišt’uje.


27

Pile-up a sink-in efekt Pile-up efekt je nahromadˇení plasticky deformovaného materiálu vzorku u okraje vtisku. Což zp˚usobí zvˇetšení kontaktní plochy a tedy i špatné urˇcení hloubky vtisku. Chyba vzniklá tímto efektem m˚uže posunout správné hodnoty až o desítky procent. Velikost tohoto efektu závisí na pomˇeru efektivního modulu pružnosti a meze skluzu. Pokud je tento pomˇer malý a zpevnˇení materiálu velké, m˚uže dojít velkému Pile-up efektu. Kriteriem pro výskyt m˚uže být rovnˇež pomˇer hr /hmax tedy pomˇer zbytkové hloubky a hloubky maximální. Hodnota tohoto pomˇeru se pohybuje od nuly do jedné (nula znaˇcí dokonale elastickou deformaci a jedniˇcka naopak dokonale plastickou deformaci). Pokud je hr /hmax < 0, 7 pile-up efekt nenastává, nebo se projeví jen velmi málo. V pˇrípadˇe, že se pile-up efekt vyskytne, doporuˇcuje se urˇcit plochu vtisku z mikroskopického zvˇetšení, než z automatické procedury pˇrístroje. [5]

Obrázek 3.3: Schéma pile-up efektu. [8]

Obrázek 3.4: 3D zobrazení pile-up. [5]

Sink-in efektem nazýváme propadnutí (potopení) okraje vtisku. Dochází k nˇemu pˇri malém pomˇeru efektivního modulu pružnosti a meze skluzu, pˇri cˇ emž dochází k rozšíˇrení oblasti plastické deformace mimo oblast pod hrotem.


28

Zbytková napˇetí Zbytková napˇetí se vyskytují ve vrstvˇe a to bez p˚usobení vnˇejších sil. Vznikly pˇri výrobˇe vrstvy nejˇcastˇeji pˇri porušení homogenních podmínek nˇejakého procesu. Mohlo se jednat o nerovnomˇernou plastickou deformaci, nerovnomˇerný ohˇrev/ochlazování nebo chemické procesy pˇri reakcích cˇ ástic pronikajících do povrchu. K urˇcení velikosti a typu napˇetí uvnitˇr vrstvy se mohou požít analytické metody, které jsou však nároˇcné na vstupní data a proto se nejˇcastˇeji užívají experimentální metody: odvrtávání, difrakce (v RTG), Ramanova spektroskopie, ultrazvukem, indentací. Napˇetí ve vrstvˇe mohou být tahová, cˇ i tlaková. Tahové napˇetí má pro vrstvu vˇetší negativní vliv, nˇež napˇetí tlakové, které dokonce m˚uže vrstvˇe pomáhat (tlumí šíˇrení trhlin). [9] Zpevnˇení Pˇri indentaci m˚uže dojít ke zdánlivému nár˚ustu tvrdosti. Dochází k nˇemu pˇri plastické deformaci, kdy se lokálnˇe m˚uže zvýšit hustota dislokací, které pak zvyšují tvrdost vrstvy. K tomuto jevu m˚uže dojít pˇri leštˇení, nebo obrušování vzorku, nebo pokud dˇeláme vtisky pˇríliš blízko sebe a ty se pak ovlivˇnují. Poškození indentací Následkem mˇeˇrení vtiskovou metodou m˚uže dojít k poškození vrstvy. Velmi cˇ asto dochází k uvolnˇení napˇetí, které je ve vrstvˇe a ta popraská (cracking). M˚uže dojít i popraskání a cˇ ásteˇcnému odchlípení vrstviˇcky od substrátu (peeling). Dále m˚uže nastat vyboulení vrstvy (buckling), které je zp˚usobeno tlakovým napˇetím. Indentací se m˚uže vrstva deformovat elasticky, kdežto substrát pod ní plasticky. Po ukonˇcení indentace se vrstva vrátí do p˚uvodního tvaru, ale substrát ne. Takovému jevu se ˇríká delaminace, m˚uže dojít dokonce i k odrhnutí vrstvy (chipping). [7]

Je nutné mít na pamˇeti, že se jednotlivé poruchy mohou vyskytovat souˇcasnˇe a dále v cˇ ase interagovat. Proto pokud se nˇejaká porucha vyskytne, je tˇreba vrstvu “pˇredˇelat ”, nebot’ v


29

praxi by neobstála.

3.3

Bulge test

Tímto testem zkoumáme napˇetí vrstvy σ v závislosti na její deformaci ε. Na spodek vrstvy odkud byl odstranˇen substrát pˇrivedeme známý hydrostatický tlak a mˇeˇríme její vyboulení. Výhodou je, že se nemusíme zaobírat problémy na okrajích vzorku, kde vznikají cˇ asté defekty, nevýhodou je komplikovaný výklad než u lineárních test˚u. Substrát se nejˇcastˇeji odstraní chemickým leptáním do tvaru kruhu a vzorek se napojí zespodu na komoru s kapalinou a pístem. Pˇri stlaˇcení pístu víme, že na vrstvu p˚usobí daný tlak P a my mˇeˇríme vyboulení vrstvy h. Vyboulení se m˚uže mˇeˇrit nˇekolika zp˚usoby: mikroskopem (zmˇenou ohniskové vzdálenosti), nebo laserovým interferometrem. [10] Napˇetí m˚užeme získat ze vztahu: σ=

Pa2 . 2ht

(3.2)

kde P je tlak kapaliny, t tloušt’ka vrstvy, a je polomˇer kruhové plochy a h výška kulového vrchlíku. Deformaci spoˇcteme: ε =α

h2 . a2

(3.3)

kde α je konstanta, která nejˇcastˇeji nabývá hodnoty 2/3. Tato rovnice platí pouze pokud je tvar vyboulení kulový. Pˇresnˇe kulového vyboulení, ale nelze dosáhnout, kv˚uli upevnˇení vrstvy. Materiály s vyšším koeficientem zpevnˇení se blíží ke kulovému tvaru více než materiály s nižším koeficientem, proto se tato metoda užívá zejména pro nˇe.

3.3.1

Ohyb mikronosníku

Metoda mikronosníku je podobná bulge testu v tom, že mˇeˇríme samotnou vrstvu bez vlivu substrátu. Nosník vznikne vyleptáním cˇ ásti substrátu. M˚uže použít tzv. mokré leptání, které m˚uže být anizotropní, nebo izotropní. Používá se speciální chemický roztok, který pˇremˇení cˇ ást substrátu na kapalinu, která se poté odplaví. Další možností je tzv. suché


30

Obrázek 3.5: Schématické znázornˇení bulge testu. [2]

Obrázek 3.6: Schéma testovaní mikronosníku. [2] leptání, které využívá plazmatu, nebo iontového paprsku. Obecnˇe pokud chceme vyrobit pˇresnˇejší struktury, užijeme suché leptání. Leptáním vyrobíme mikronosník, který je vyroben pouze z materiálu vrstvy.

Na nosník necháme p˚usobit indentor a mˇeˇríme malé deformace. Ze situace je zˇrejmé viz. obr. 3.6, že nebudeme používat zátˇeže, které jsou bˇežné pˇri vtiskových metodách, nebot’ by mohlo dojít ke zlomení nosníku. Ze zjištˇených závislostí, jsme schopni urˇcit modul pružnosti, cˇ i mez kluzu.


3.4

31

Testy adheze

Adheze neboli pˇrilnavost znamená míru velikosti vazebních sil mezi materiálem a vrstvou. Mohou vzniknout vazby kovové, iontové Van der Waalsovy. Jaké vazby na rozhraní resp. v pˇrechodové vrstvˇe, pˇrevládly je obtížné ˇríci. Nem˚užeme zaruˇcit naprosto rovinný povrch a ani jeho chemickou cˇ istotu. Pˇrechodová vrstva se stává nehomogenní, co do typ˚u vazeb, tak i tˇreba v druzích krystalické fáze. Pˇri plazmochemické depozici jsme schopni ˇrídit složení vrstvy a energii dopadajících iont˚u. Takže jsme schopni utvoˇrit vrstvu, která by mˇela mít teoreticky dobrou adhezi, ale ne ve všech pˇrípadech se to podaˇrí. Proto je nutné dodateˇcnˇe adhezi mˇeˇrením zkontrolovat. [5]

Ideální zkouška adheze by mˇela splˇnovat: • kvantitativnˇe popsat pevnost spojení pro r˚uzné kombinace materiál˚u i tlouštˇek • umožˇnovat provádˇení zkoušek nejen na pˇripravených ideálních vzorcích, ale i na reálných tˇelesech složitˇejších tvar˚u • hodnotit tenké vrstvy pokud možno nedestruktivnˇe • možnost poˇcítaˇcového záznamu, vyhodnocení, registrace výsledku zkoušek Žádná souˇcasná metoda nenabízí stoprocentní splnˇení tˇechto podmínek, ale existuje nˇekolik standardizovaných test˚u, které se bˇežnˇe používají.

Pˇri zkouškách adheze je míra vazebných sil mˇeˇrena namáháním systému vrstva-substrát. Adhezi tenkých vrstev je proto obtížné jednoznaˇcnˇe definovat a pˇriˇradit fyzikální jednotku. Nabízí se definice pomocí vazební energie vztaženou na jednotku plochy tj jako práci potˇrebnou k odstranˇení vrstvy z jednotkové vrstvy substrátu. Z praxe ale zjišt’ujeme, že tato energie je závislá na zp˚usobu namáhání vrstvy. Proto je srovnávání adheze mˇerˇené r˚uznými zp˚usoby obtížné. [12]


3.4.1

32

Odtrhávací zkouška

Pˇri odtrhávací zkoušce mˇeˇríme sílu potˇrebnou k odtržení vrstvy o urˇcité ploše od substrátu. K vrstvˇe se pˇrilepí (lepidlo musí mít samozˇrejmˇe vyšší pevnost nˇež spoj) rovinné cˇ elo tyˇce a na trhacím stroji se zmˇeˇrí odtrhávací síla. Je nutné dodržet kolmý smˇer p˚usobení síly jinak hrozí nepˇresnosti. Volba lepidla rovnˇež ovlivˇnuje výsledky mˇeˇrení. Rozlišujeme také, kde nastalo odtržení. Pokud nastalo v pˇrechodové vrstvˇe, oznaˇcujeme lom za adhezní, a došlo-li k lomu v substrátu, oznaˇcujeme lom za kohezní. Zkouška smykem Pˇri stejném uspoˇrádání jako u odtrhávací zkoušky m˚užeme provést i zkoušku smykem. Rozdíl je ve smˇeru p˚usobení síly. U smykové zkoušky je p˚usobící síla rovnobˇežná s rovinou rozhraní vrstva-substrát. Opˇet musíme dodržovat smˇer síly, aby docházelo pouze ke smykovému namáhání.

3.4.2

Zkouška mˇrížkovým rˇ ezem

Vrstva se proˇrízne až na substrát tak, aby vznikla kolmá sít’ ˇrez˚u viz obr. 3.7. Existuje nˇekolik standardizovaných variant této sítˇe resp. velikostí vzniklých cˇ tvereˇck˚u. Po provedení ˇrez˚u se hodnotí struktura sítˇe, zda jsou ˇrezy ostré, kolik cˇ tvereˇck˚u se odlouplo a podle tˇechto kriterií lze pˇrilnavost vrstvy zaˇradit do kvalitativní stupnice. Je možné i tuto zkoušku modifikovat tím, že použijeme navíc lepící pásku a zjišt’ujeme kolik cˇ tvereˇck˚u po jejím odtrhnutí na ní ulpˇelo. [11]

3.4.3

Tahová zkouška

Tahová zkouška spoˇcívá v tahovém namáhání vzorku s tenkou vrstvou v trhacím stroji (obr. 3.8) a sledování stavu vrstvy napˇr. mapováním vzniku trhlin optickým mikroskopem nebo mˇeˇrením signálu akustické emise v závislosti na relativní deformaci vzorku.


33

Obrázek 3.7: Kotouˇc sloužící k tvorbˇe sítˇe. [11]

Obrázek 3.8: MTS–Tytron je pˇríkladem zaˇrízení, na kterém se testuje adheze pomocí tahu.


34

Obrázek 3.9: Adhezní tˇrídy pro Mercedes test. [15] Zkouška ohybem U této zkoušky je plochý vzorek ohýbán na pˇredmˇetech (válec, kužel. . . ) a sledujeme zmˇeny stavu povrchu metodami jako ve zkoušce tahem.

3.4.4

Mercedes test

Dalším testem adheze vrstev je „Mercedes test“ – jedná se o statickou zkoušku, kdy se do vzorku s vrstvou vtlaˇcuje indentor (Rockwell) silou 1500 N. Na rozhraní po vtisku vzniká pnutí, kde se tvoˇrí drobné trhliny. Pro vyhodnocení testu se používá mikroskop a tabulka rozdˇelující vzniklé poškození do šesti tˇríd (obr. 3.9). První tˇrída popisuje jen drobné prasklinky, další pak vzr˚ustající stupeˇn poškození a poslední pak selhání adheze. Jako vyhovující se považují vzorky ve tˇrídˇe HF 1 až HF 3. [15]

3.5

Vrypová zkouška

Jedná se o nejrozšíˇrenˇejší metodu mˇeˇrení adheze známou ttéž pod anglickým názvem scratch test. Pˇri této zkoušce dochází ke vzájemnému pohybu indentoru a vzorku s vrstvou tak, že hrot indentoru je vleˇcen po povrchu se skokovˇe cˇ i plynule nar˚ustající silou Fa . Na rozhraní vrstva substrát se zvyšuje pnutí, které zp˚usobuje postupné porušování in-


35

tegrity vzorku a pˇri kritickém zatížení Lc dochází k oddˇelení vrstvy od substrátu, nebo k jinému podstatnému porušení vzorku.

Mírou adheze je právˇe velikost kritického zatížení Lc . Tato veliˇcina není jen funkcí houževnatosti pˇrechodové oblasti vrstva–substrát, ale je více cˇ i ménˇe závislá i na dalších parametrech vrypové zkoušky a na nˇekterých vlastnostech vrstvy a substrátu.

Parametry zkoušky ovlivˇnující výsledek: • geometrie indentoru (tvar,polomˇer zaoblení hrotu) • rychlost zatˇežování • rychlost posuvu hrotu v˚ucˇ i vzorku • vnˇejší prostˇredí (teplota, vlhkost) Z parametr˚u systému vrstva-substrát mají zejména vliv: • kvalita povrchu vrstvy • tloušt’ka, tvrdost, vnitˇrní pnutí, modul pružnosti a struktura vrstvy • tvrdost, modul pružnosti, kvalita povrchu substrátu pˇred nanesením vrstvy Odstínit všechny výše zmínˇené vlivy nelze, proto nelze namˇeˇrenou hodnotu Lc jednoznaˇcnˇe prohlásit za míru adheze. Proto se ustálilo používání urˇcitých standardních podmínek a konstrukcí pˇrístroj˚u. K urˇcení hodnoty Lc se užívá nˇekolik metod: • Subjektivní posouzení vrypu ve zvˇetšení optickým mikroskopem nebo elektronovým ádkovacím mikroskopem. Jako kritické zatížení se považuje napˇríklad to zatížení, pˇri kterém lze zˇretelnˇe pozorovat odtržení vrstvy od substrátu na okraji vrypu nebo na dnˇe vrypu


36

• Mˇeˇrení závislosti teˇcné síly Ft p˚usobící na indentor na vnikající síle. V okamžiku protržení vrstvy obvykle dochází k rychlému nár˚ustu teˇcné síly v d˚usledku zvˇetšení odporových sil p˚usobících na hrot indentoru a pˇri dalším pohybu hrotu obvykle tato síla rychle kolísá zejména v závislosti na struktuˇre materiálu substrátu. Rovnˇež se mˇeˇrí hodnota souˇcinitele dynamického tˇrení. • Mˇeˇrení intenzity signálu akustické emise. Na tˇelese držáku indentoru je upevnˇen rezonanˇcní snímaˇc akustické emise a je registrována závislost intenzity akustické emise na velikosti vnikající síly Fn . Za kritické zatížení Lc je považována ta hodnota vnikající síly, pˇri níž je pozorován náhlý nár˚ust intenzity akustické emise. [12]

3.5.1

Tvrdost urˇcená z vrypu

Vrypový test nám nejen umožˇnuje urˇcit adhezi, ale také jiné veliˇciny jako je tvrdost, modul pružnosti a lomová houževnatost. Abychom je ale mohli vypoˇcítat, musíme pˇrijmout nˇekolik pˇredpoklad˚u: u modulu pružnosti uvažujeme pouze cˇ istˇe elastickou odezvu materiálu, zatímco pro tvrdost uvažujeme dokonale plastické chování. Výsledky, které získáme z vrypového testu, jsou tedy jen pˇribližné, o mnoho lepší hodnoty získáme metodou DSI.

Pˇri testování sledujeme dva parametry, vrypovou tvrdost Hs (scratch hardness) a rýhovací tvrdost H p (ploughing hardness). Obˇe tyto tvrdosti vedou k hodnotám tvrdosti blízkých k hodnotˇe získané metodou DSI. Hs je tvrdost, která je mírou odporu materiálu k normálové síle Fa : Hs =

Fn . ALB

(3.4)

kde ALB je pˇredpokládaná plocha nesoucí zatížení. Abychom ji mohli spoˇcítat pˇredpokládáme, že se materiál chová dokonale plasticky a tak: 1 ALB = πw2 . 8

(3.5)


37

kde w je lokální šíˇrka vrypu za pˇredpokladu, že je zátˇež pˇrenášena pouze pˇrední polovinou kulového hrotu. Rýhovací tvrdost H p je definována:

Hp =

µP P . AP

(3.6)

kde µP je souˇcinitel dynamického tˇrení a AP je kontaktní plocha vidˇená ve smˇeru normály k relativnímu pohybu indentoru. H p je mírou odporu materiál proti rýhám. Pro dokonale plastickou deformaci platí: w w − AP = R2 sin−1 2R 2

r R2 −

w2 . 4

(3.7)

Z geometrického hlediska lze vyjádˇrit vztah mezi šíˇrkou vrypu w a hloubkou vrypu h:

w=2

p 2Rh − h2 .

(3.8)

Jak už bylo ˇreˇceno, obˇe tyto tvrdosti jsou jen pˇribližné, nebot’ neuvažujeme vliv elastické deformace. Ta bude mít za následek zmenšení kontaktní plochy u vrypové tvrdosti a naopak zvˇetšení kontaktní plochy u rýhovací tvrdosti. [13]

3.6

Tribologické testy

Obecnˇe tribologie je vˇední obor, jež se zabývá chováním dotýkajících se povrch˚u ve vzájemném pohybu a nebo pˇri pokusu o vzájemný pohyb. Tento pohyb m˚uže být obecnˇe kluzný, valivý, nárazový nebo kmitavý. Ve skuteˇcnosti se cˇ asto uplatˇnují dva i více druh˚u pohybu souˇcasnˇe. Pˇri tribologickém testu chceme zejména urˇcit souˇcinitel tˇrení µ, ale sledováním povrchu jsme schopni urˇcit rovnˇež adhezivnˇe-kohezní chování.


38

Obrázek 3.10: Schéma vrypové metody. [28]

Obrázek 3.11: Ukázka vrypu do materiálu, kde m˚užeme vidˇet, jak se materiál zaˇcíná vrásnit až dojde nakonec i k popraskání okolí vrypu. [11]


3.6.1

39

Pin on disc

Pin on disc je velmi užívanou metodou tribologické analýzy. Na vzorek diskovitého tvaru se pˇriloží “Pin” objekt, kterým je váleˇcek s plochou podstavou, nebo nerotující kuliˇcka. Pin objekt je uchycen na elastickém rameni. Vzorek se zaˇcne otáˇcet a váleˇcek, cˇ i kuliˇcka je k nˇemu konstantní silou pˇritlaˇcována. Na vzorku se vytvoˇrí opotˇrebení, z jehož tvaru a velikosti lze urˇcit parametry vrstvy. Souˇcinitel tˇrení zjistíme z náklonu elastického ramene pˇri otáˇcení. Opotˇrebení urˇcuje parametr K:

K=

V . L·s

(3.9)

kde V je objem opotˇrebovaného materiálu, L je zatˇežovací síla a s je dráha hrotu. Výsledné hodnoty opotˇrebení a souˇcinitele tˇrení závisí na: • geometrii Pin tˇelíska a styˇcné ploše • okolním prostˇredí (vlhkost, teplota) • teplotˇe povrchu vzorku • poˇctu cykl˚u (dobˇe trvání testu) • relativní rychlosti pohybu mezi Pin tˇelískem a vzorkem • zatˇežující síle Asi nejvˇetší vliv má geometrie Pin tˇelíska. Pˇred testováním je vhodné si stanovit tvar a materiál, ze kterého je vyrobeno. Napˇríklad pokud testujeme odolnost vrstvy v˚ucˇ i abrazivnímu opotˇrebení, je vhodné použít tˇelísko vyrobené z keramiky. V tomto pˇrípadˇe m˚užeme zvýšit pˇresnost velkou zatˇežovací silou a rychlostí otáˇcení. Vlivy okolí jsou již vˇetšinou odstínˇeny konstrukcí mˇeˇrící cˇ ásti pˇrístroje, ale i tak je dobré je sledovat a zaznamenávat, abychom mohli provést jiná mˇeˇrení ve stejných podmínkách a pak je vzájemnˇe porovnat. Pˇri zatˇežovací síle 2 N a více je rovnˇež vypovídací hodnota o souˇciniteli tˇrení velmi nízká.


Obrázek 3.12: Schéma Pin on Disc testu. [2]

40

Kapitola 4 Pˇrístroje V souˇcasné dobˇe se na trhu nachází mnoho pˇrístroj˚u na testování mechanických vlastností látek. Naprostá vˇetšina z nich je ˇrízena poˇcítaˇcem. Pˇrístroj sám bývá masivnˇejší konstrukce, aby odolal okolním vibracím. M˚uže být velký tak, že se musí umístit na zem, ˇ nebo i menší, který se dát položit na st˚ul. Casto se navíc umist’uje do speciálnˇe postavených místností, které jsou odhluˇcnˇeny nebo se speciální podlahou, která tlumí vibrace okolí. Pˇri malých zátˇežích dokáže mˇeˇrení narušit i bˇežná ˇreˇc, nebo zavˇrení dveˇrí.

Zaˇrízení obsahuje motorizovaný stoleˇcek, kam se umíst’ují vzorky, mikroskop s CCD kamerou a vlastní hlavu s hrotem. Výrobci obvykle k zaˇrízení pˇridávají i sv˚uj vlastní software, který jednak zpracovává a ukládá data, ale zaˇrizuje obsluhu a údržbu zaˇrízení. Rovnˇež nabízejí pˇrídavné moduly, které umožˇnují nové typy mˇeˇrení, cˇ i zlepšení podmínek mˇeˇrení (kontrola teploty, vlhkosti).

4.1

Vnitˇrní prvky

Jednotlivá DSI zaˇrízení se od sebe mohou lišit vzhledem, který je ovlivnˇen pˇredevším funkˇcním ˇrešením a pˇrípadnˇe i designem. To jak pˇrístroj pracuje, jak je ovládán a jak zjiš-

– 41 –

Kapitola 4. Pˇrístroje

42

t’uje data, závisí urˇcitˇe na zp˚usobu mˇeˇrení, ale principiálnˇe existuje jen nˇekolik možností k provedení takto jemných mechanism˚u.

4.1.1

Ovládání

Mezi nejbˇežnˇejší zp˚usoby ovládání patˇrí elektromagnetické, elektrostatické a pružinové, každý zp˚usob sebou nese své výhody a nevýhody. • Elektromagnetické ovládání je jedním z nejstarších a nejrozšíˇrenˇejších zp˚usob˚u mˇenˇení zatˇežovací síly. Cívka je vložena do válcového otvoru v permanentním magnetu viz obr.4.1. Zmˇenou proudu I procházejícího cívkou generujeme magnetické pole, které interaguje s magnetickým polem permanentního magnetu. Výhody: – velký rozsah posunutí (v ˇrádu milimetr˚u) – aproximativnˇe lineární chovaní závislosti zátˇeže na proudu v celém rozsahu posunutí – široký rozsah zátˇeže (až do nˇekolika Newton˚u) – tento typ ovládání m˚uže být použit stejnˇe dobˇre pro zvedání indentoru i pro jeho klesání Nevýhody: – relativnˇe velká (10 cm) a tˇežká (v ˇrádu kilogram˚u) stavba – proud procházející cívkou vytváˇrí teplo, které m˚uže zp˚usobit termální drift a ovlivnit pˇredevším mˇeˇrení s malou zátˇeží – magnetické pole permanentního magnetu [4] • Elektrostatické ovládání pro nanoindentaci bylo pˇredstaveno v polovinˇe devadesátých let. Zátˇež je aplikována elektrostatickou silou, která vzniká na centrální desce, která je umístˇena mezi elektrodami viz. obr.4.2. Zatˇežovací síla je úmˇerná kvadrátu


43

Obrázek 4.1: Permanentní magnet a v nˇem vložená cívka, pˇri elektromagnetickém ovládání. [4]

Obrázek 4.2: Centrální destiˇcka pˇripevnˇená pružinami ke krajním elektrodám a k voltmetru. [4] napˇetí. Indetaˇcní hloubka se mˇeˇrí z relativního posunutí prostˇrední elektrody v˚ucˇ i vnˇejším elektrodám za pomocí zmˇeny kapacitance. Výhody: – malé rozmˇery (desetiny milimetru) – dobrá teplotní stabilita Nevýhody: – omezený rozsah zátˇeže (desetiny mN) – omezený rozsah posunutí (v ˇrádu desetin mikron˚u) – obvykle je možný jen jeden pohybu hrotu


44

Obrázek 4.3: Schéma indentoru ovládaného piezoelektricky a pružinami. [4] • Pružinové ovládání má pˇrekvapující poˇcet aplikací, jak kontrolovat zátˇež skrze pruˇ žinu. Indentor je napojen na konec pružiny. Casto se užívá i kombinace s piezoelektrickým ovládáním. Držadlo hrotu je pˇripojeno listovými pružinami k tˇelu pˇrístroje a napojen k piezo ovládaní viz. obr.4.3. Toto uspoˇrádání m˚uže dosáhnout velmi vysoké citlivosti u síly (až pN), avšak na úkor rozsahu a cˇ ím vˇetší citlivost užíváme, tím vˇetší posunutí musíme provést, abychom zmˇenily aplikovanou zátˇež. Rychlost zmˇeny zátˇeže je tedy limitována.

4.1.2

Detekce posunutí

Vˇetšina pˇrístroj˚u DSI je konstruována tak, aby se nechala mˇenit zátˇež. Posunutí hrotu se tedy pˇrímo neovládá, ale jen mˇeˇrí. Opˇet existuje nˇekolik zp˚usob˚u jak toto mˇeˇrení zrealizovat, nejˇcastˇeji se používají kapacitní metody, transformátory (LVDT), optika, laserová interferometrie.

• Kapacitní metody jsou založeny na principu kondenzátoru. Pokud na deskovém kondenzátoru udržujeme konstantní napˇetí a ani se nemˇení plocha, jsou zmˇeny v elektrickém proudu zapˇríˇcinˇeny pouze zmˇenou vzdálenosti desek. Kapacita kon-


45

denzátoru je dána:

C=

ε0 εr S . d

(4.1)

kde ε0 je permitivita vakua, εr je permitivita dielektrika mezi deskami, S je plocha desek a d je jejich vzdálenost.

Závislost kapacity na vzdálenosti desek není zˇrejmˇe lineární, ale pro malá posunutí m˚užeme tuto závislost rozvinout v Taylorovu ˇradu a použít jen lineární cˇ leny. Další zp˚usob jak se vyhnout nelineární závislosti je užití diferenciálního kondenzátoru viz. obr.4.4. Ten mˇeˇrí rozdíl mezi kapacitami C1 a C2 , který vznikne pˇri posunutí o malou vzdálenost ∆. V tomto pˇrípadˇe se nám první nelinearita objeví v rozvoji až v 3

kubickém cˇ lenu ( ∆d 3 ), kdežto jinak by byla první nelinearita už v kvadratickém cˇ lenu 2

( ∆d 2 ). Výhody: ˚ – velmi vysoká pˇresnost (i ménˇe než 1A) – malá velikost zaˇrízení Nevýhody: – rozsah posunutí je malý • Transformátor - LVDT (Linear Variable Differential Transducer) je v pr˚umyslu asi nejpoužívanˇejší typ transformátoru s promˇenou indukˇcností sloužící k mˇeˇrení lineárního posunutí viz. obr.4.5. Jedná se o tˇri cívky navinuté vedle sebe kolem trubice. Prostˇrední cívka je primární a bývá napojena na zdroj stˇrídavého proudu o frekvenci 1 až 10kHz pˇri napˇetí 0,5 až 10 V. Krajní cívky se nazývají sekundární a indukuje se v nich proud z primární cívky. Sekundární cívky jsou zapojeny antisériovˇe, takže je na nich stejné napˇetí,ale s opaˇcnou polaritou, na výstupu vidíme tedy nulovou


46

Obrázek 4.4: Diferenciální kondenzátor. [4] hodnotu. V trubici se nachází válcové feromagnetické jádro jehož posunováním detekujeme zmˇenu výstupního napˇetí a z fáze tohoto napˇetí jsme schopni urˇcit smˇer posunutí.

Výhody: – nízké náklady na poˇrízení – odolná konstrukce, schopné pracovat v mnoha prostˇredích – vysoký pomˇer signálu k šumu a nízká výstupní impedance – zanedbatelná hystereze – nedochází k poškození zaˇrízení, pokud pˇresáhneme rozsah posunutí Nevýhody: – nižší citlivost v porovnání s kapacitní metodou – feromagnetické jádro se musí pˇrímo, nebo nepˇrímo dotýkat mˇeˇreného povrchu – dynamická mˇeˇrení jsou omezena shora 1/10 rezonanˇcní frekvence LVDT, zacˇ asté to bývá hodnota 2 kHZ • Optická metoda se cˇ asto využívá u zaˇrízení, které mají hrot na rameni (AFM). Na konec tohoto ramene dopadá laserový paprsek, který se odráží do fotodiody, která je


47

Obrázek 4.5: LVDT transformátor. Cívka A je primární, cívky B jsou sekundární a na nich mˇeˇríme výstupní napˇetí. [29] je rozdˇelena na dvˇe cˇ ásti. Posunutí ramene zmˇení dráhu laserového paprsku a tuto zmˇenu poznáme z vychýlení paprsku na diodˇe viz. obr.4.6, kde zaznamenáváme relativní pomˇer amplitud z obou cˇ ástí fotodiody. Jsme schopni dosáhnout citlivosti ˚ menší než 1A. • Laserová interferometrie využívá koherentního zdroje svˇetla. Svazek rozdˇelíme na dvˇe cˇ ásti, které urazí jinou dráhu. Oba svazky poté spojíme a na detektoru je necháme interferovat. Laserový svazek vedeme optickými vlákny (pr˚umˇer vlákna asi

Obrázek 4.6: Schéma optické metody s ramenem a laserovým paprskem. [4]


48

Obrázek 4.7: Schéma Fabry-Perotova interferometru. [4] ˚ 0,1 mm). Jsme schopni dosáhnout citlivosti pod 1A.

ˇ Casto se užívá Farbry-Perotova interferometru viz. obr.4.7. Laserový svazek putuje ze zdroje optickým vláknem 1 do zaˇrízení (coupler), které svazek pošle optickým vláknem 2 na vzorek, kde se odrazí. Svazek odražený od vzorku interferuje se svazkem odraženým z konce vlákna 2. Interferenci zjišt’ujeme na detektoru. Zda dojde k destruktivní, cˇ i konstruktivní interferenci závisí na vzdálenosti konce vlákna 2 od povrchu vzorku.

4.2

Komerˇcní pˇrístroje

Na trhu je v souˇcasnosti mnoho firem nabízejících produkty v oblasti instrumentované indentace, ale i vrypových a tribologických test˚u. Tato zaˇrízení se liší svou konstrukcí a r˚uznou volbou ovládacích a detekˇcních mechanism˚u, které byly diskutovány výše. Vybral jsem proto nˇekolik nejpopulárnˇejších produkt˚u od významných firem a ty struˇcnˇe pˇredstavil.

4.2.1

Ultra Nanoindenter

Ultra nanoindenter viz. obr.4.9 je pˇrístroj od švýcarské firmy CSM, která již pˇres tˇricet let úspˇešnˇe podniká v oblasti charakterizace mechanických vlastností povrch˚u. Zátˇež je u pˇrístroje ovládána elektromagneticky a posunutí je mˇeˇreno kapacitnˇe. Aby došlo k odstínˇení


49

Ultra Nano Nano Mikro Rozsah zátˇeže 0,025 - 100 mN 0,1 - 500 mN 0,03 - 30 N Citlivost zátˇeže 0,001 µN 0,04 µN 0,3 mN Maximální hloubka 100 µm 200 µm 200 µm Citlivost hloubky 0,001 nm 0,04 nm 0,3 nm Rychlost zatˇežování až 10 N/min až 10 N/min až 300 N/min Rozmˇery stoleˇcku 120 × 20 mm 120 × 20 mm 120 × 20 mm Citlivost posunutí stoleˇcku 0,25 µm 0,25 µm 0,25 µm Zvˇetšení video mikroskopu 200×, 4000× 200×, 4000× 200×, 2000× Rozlišení kamery mikroskopu 768 × 582 768 × 582 768 × 582 Tabulka 4.1: Pˇrehled parametr˚u pˇrístroj˚u od firmy CSM.

magnetického pole magnetu, obsahuje zaˇrízení ve své konstrukci magnetickou bariéru viz. obr.4.8. Pˇrístroj dokáže mˇeˇrit tvrdost, Young˚uv modul, creep, opotˇrebení a lomovou houževnatost. Výrobce dodává i sv˚uj vlastní software. Pˇrístroj se nabízí ve tˇrech provedeních, podle hloubky indentace viz. tabulka 4.1.

Obrázek 4.8: Ovládací a mˇeˇrící mechanismus u CSM. [4]

4.2.2

Obrázek 4.9: Ultra nanoindenter od firmy CSM

MTS Nanoindenter XP

Tento pˇrístroj viz obr. 4.11 vyrábí velká americká firma MTS, která zasahuje svou p˚usobností do mnoha technických oblastí, které propojuje firemní motto: Mˇeˇrení, Pˇresnost, Jistota. Nanoindentor XP je ovládán elektromagneticky skrze indukci a posunutí se dete-


50

kuje kapacitnˇe viz. obr. 4.10. Pˇrístroj nabízí mˇeˇrení tvrdosti, Youngova modulu s pˇríslušenstvím CSM m˚užeme poˇcítat modul na stovkách bod˚u bˇehem jediného vtisku, m˚užeme použít ještˇe dynamický modul DCM, který umožˇnuje vˇetší citlivost testování, modul, který zvýší zátˇež až na 10 N bez ztráty citlivosti. Standardnˇe je vybaven Berkovichovým hrotem (trojboký jehlan), ale možné použít i jiné geometrie. [33]

Obrázek 4.10: Ovládací a mˇeˇrící mechanismus u MTS Nanoindenter XP. [4]

Obrázek 4.11: MTS Nanoindenter XP.

CSM DCM Maximální zátˇež 500 mN (10 N s vysokou zátˇeží) 10 mN Citlivost zátˇeže 50 nN 1 nN Maximální hloubka 500 µm 15 µm Citlivost hloubky <0,01 nm 0,0002 nm Tabulka 4.2: Parametry MTS Nanoindenteru XP.

4.2.3

TI 950 TryboIndenter

TI 950 TriboIndenter viz. obr. 4.13 je posledním z ˇrady pˇrístroj˚u k mˇeˇrení nanomechanických vlastností od firmy Hysitron. Srdcem Hysistronu je patentovaný tˇrídeskový kapacitní snímaˇc, který slouží jednak jako ovládací mechanismus a jednak jako senzor. Síla se mˇeˇrí elektrostaticky skrze zmˇenu kapacitance viz. obr. 4.12. Elektrostatické ovládání vyžaduje jen velmi malý proud, což prakticky znamená, že nedochází k nechtˇenému posunu pˇri


51

TI 950 Maximální zátˇež 30 mN Citlivost zátˇeže 1 nm Maximální hloubka 20 µm Citlivost hloubky 0,0002 nm Tabulka 4.3: Parametry TI 950 TriboIndenteru.

Obrázek 4.12: Ovládací mechanismus u TriboIndenteru TI 950. [4] ovládání.

Hysitron dosahuje vysoké frekvence testování, která je vhodná pˇredevším k mˇeˇrení viskoelastických materiál˚u, vysoké frekvence dosahuje také zpˇetná vazba, což dopomáhá k vysoké pˇresnosti celého zaˇrízení. Kvazistatickou indentací lze mˇeˇrit Young˚uv modul, tvrdost, reziduální pevnost a jiné, dále je možné provádˇet scratch testy, SPM zobrazování, ScanningWear – sledování a kvantifikace objemového opotˇrebení, souˇcástí standardu je i CCD kamera s vysokým rozlišením. Je rovnˇež možné dokoupit nejr˚uznˇejší moduly: AFM zobrazování, nanoDMA, nano ECR a další. [30]


52

Obrázek 4.13: TI 950 TriboIndenter.

4.2.4

UMIS Nanoindenter

UMIS Nanoindenter je indentaˇcní pˇrístroj designovaný australskou firmou CSIRO viz. obr. 4.14. Zatˇežovací síla se ovládá piezoelektricky a aplikuje se skrze listové pružiny na držadlo s hrotem. Když se indentor dotkne vzorku, pružiny se ohnou a držadlo hrotu se posune viz. obr. 4.15. Toto posunutí detekujeme pomocí LVDT. Zaˇrízení obsahuje dvˇe LVDT jednotky, první mˇeˇrí absolutní posunutí a druhá relativní posunutí držadla hrotu v˚ucˇ i tˇelu pˇrístroje. Zaˇrízení je vybaveno AFM a standardnˇe mˇeˇrí Berkovichovým, Vickersovým nebo sférickými indentory. [32] UMIS Maximální zátˇež 50 mN / 500 mN Citlivost zátˇeže 50 nN Maximální hloubka 2 µm / 20 µm Citlivost hloubky 0,003 nm Citlivost posunutí stoleˇcku 100 nm Tabulka 4.4: Parametry UMIS Nanoindeteru..


53

Obrázek 4.14: UMIS Nanoindenter.

Obrázek 4.15: Schéma pˇrístroje UMIS. [4]


54

Obrázek 4.16: Fisherscope HM2000 XYp. HM2000 Maximální zátˇež 2000 mN Citlivost zátˇeže ≤0,04 mN Maximální hloubka 150 µm Citlivost hloubky ≤100 pm Pˇribližovací rychlost hrotu ≤2 µm/s Tabulka 4.5: Parametry Fischerscope HM2000.

4.2.5

Fisherscope HM2000 XYp

Fisherscope HM2000 XYp je posledním prudktem nˇemecké fimy Helmut Fischer. Pˇrístroj je urˇcen k mˇeˇrení mikrotvrdosti, jako je Martensova nebo Vickersova tvrodst, elastický modul. Používají se Vickers˚uv a Berkovich˚uv hrot. Pˇrístroj je vybaven vlastním softwarem a optickým mikroskopem se zvˇetšením 40×, 200× a 400×.

Výrobce neuvádí jaký systém ovládání zátˇeže a mˇeˇrení posunutí užívá. K vlastnímu mˇeˇrení, které bude prezentováno v kapitole výsledky, jsme použili jiný pˇrístroj od firmy Helmut Fischer a to Fischerscope H100. Parametry tohoto pˇrístroje, jeho obsluha a údržba budou pˇredstaveny v následující kapitole.

Kapitola 5 Experimentální cˇ ást 5.1

Depoziˇcní zaˇrízení

Mechanické vlastnosti vrstev byly testovány na vzorcích, které byly pˇripraveny v radiofrekvenˇcním generátoru R1 (obr. 5.1) v plazmatické laboratoˇri Ústavu fyzikální elektroniky. Válcové ostˇení generátoru je vyrobeno ze skla, elektrody jsou grafitové a na spodní z nich je napojen radiofrekvenˇcní generátor pracující o frekvenci 13,56 MHz. Tato frekvence je volena proto, aby nerušila žádné komunikaˇcní zaˇrízení. Depoziˇcní komora je napojena na rotaˇcní vývˇevu a na pˇrívod smˇesi plyn˚u viz. obr. 5.2

5.2

PECVD

Generátor R1 užívá metody PECVD (Plasma-enhanced chemical vapor deposition). Depozice v reaktoru probíhá za tlaku od 5 Pa do 600 Pa, kde se zažehne doutnavý výboj o vysoké frekvenci 100 kHz až 40 MHz. Výboj obsahuje elektrony, ionty a disociované molekuly reakˇcního plynu. Elektrony, které mohou dosahovat teplot nˇekolika tisíc˚u kelvin˚u, pˇri srážkách s molekulami reakˇcního plynu tyto molekuly ionizují a disociují. Disociované molekuly pak mohou reagovat s povrchem substrátu. Teplota celého plazmatu je však nižší než teplota elektron˚u. Elektrony jsou lehké a jejich vliv na celkovou teplotu plazmatu je

– 55 –

Kapitola 5. Experimentální cˇ ást

Obrázek 5.1: Depoziˇcní zaˇrízení R1.

Obrázek 5.2: Schéma depoziˇcní komory R1. [14]

56


57

Obrázek 5.3: Znázornˇení nˇekolika typ˚u vrstev podle obsahu vodíku a vazeb sp2 a sp3 . [6] malý, o té rozhodují pˇredevším ionty, které však naopak díky své hmotnosti pomalu reagují na zmˇeny v elektrickém poli a jejich teplota je tudíž menší, než teplota elektron˚u a dosahuje hodnot maximálnˇe nˇekolika stovek kelvin˚u.

V reaktoru se odˇcerpá vzduch a zároveˇn se nechá pˇritékat smˇes uhlovodíku a vodíku, pˇrípadnˇe i dalších plyn˚u. Zapnutím generátoru, nejˇcastˇeji o frekvenci 13,56 MHz, se zažehne výboj a zaˇcíná depozice. Na elektrodˇe, na níž je vzorek se zaˇcne tvoˇrit silný záporný potenciál a na substrát zaˇcínají dopadat ionty a disociované cˇ ásti molekul. Výsledné vlastnosti vrstvy mohou být ovlivnˇeny složením smˇesi plyn˚u, tlakem v reaktoru a energií dodávanou generátorem. M˚užeme tedy dostat vrstvy, které jsou mˇekké a mají charakter grafitového uhlíku, nebo naopak žádané tvrdé vrstvy, podobné diamantovému uhlíku (obr. 5.3) tzv. DLC vrstvy.


58

Fischerscope H100 Zátˇež 0,4–1000 mN Citlivost hloubky ±2 nm Maximální hloubka 700 µm Tabulka 5.1: Technické parametry Pischerscopu H100.

5.3

Mˇerˇ ící pˇrístroj

K mˇeˇrení mechanických vlastností byl užit pˇrístroj od firmy Fischer Helmut: Fisherscope H100 Xyp (obr. 5.4). Jedná se mikrotvrdomˇer, který je plnˇe ˇrízen poˇcítaˇcem, vˇcetnˇe posunu stoleˇcku se vzorkem. Výrobce rovnˇež dodává vlastní software WIN-HCU. Aby bylo zabránˇeno rušivým vliv˚um, má laboratoˇr, kde se Fischerscope nachází speciální tlumící podlahu a navíc je umístˇen v plexisklovém boxu, který zajišt’uje stabilitu teploty a vlhkosti. Pˇrístroj dále obsahuje optický mikroskop s maximálním zvˇetšením 400× a napojeným na CCD kameru, takže je možné okamžitˇe po vtisku zaznamenat obrázek. Jako indentor jsme použily Vickers˚uv a Berkovich˚uv hrot. Výsuvná rychlost hrotu je v ≤ 5µm/s, takto malá je proto, aby nedošlo k poškození povrchu vzorku v d˚usledku nárazu.

5.3.1

Údržba a kalibrace

Každý mˇeˇrící pˇrístroj se m˚uže oddálit od své zamýšlené pˇresnosti mˇeˇrení, dochází k tomu postupem cˇ asu pˇri bˇežném používání nebo napˇríklad pˇri pˇrevozech a manipulací s mˇeˇrícím pˇrístrojem. Problém je vážnˇejší pokud se jedná o velmi citlivá zaˇrízení. Fischerscope patˇrí mezi citlivá zaˇrízení, ale vˇetšina bˇežné údržby je automatizována skrze software.

ˇ Cištení Pomˇernˇe bˇežnou údržbou je cˇ ištˇení hrotu. Dˇelá se i nˇekolikrát týdnˇe, nebot’ ke zneˇcištˇení hrotu m˚uže dojít nejsnáze. Nejprve je vhodné udˇelat na vzorku pokusný vtisk pˇri nejvyšší zátˇeži to jest pˇri 1 N. Poté zadáme na softwaru vysunutí hrotu a vezmeme papírový had-


59

Obrázek 5.4: Fischerscope H100 Xyp. ˇrík a spolu s lihem hrot opatrnˇe oˇcistíme. Po oˇcištˇení provedeme opˇet vtisk pˇri zátˇeži 1N, když máme oba vtisky a nejlépe hned u sebe, m˚užeme srovnat jak se vtisk zmˇenil, neboli jak dobˇre jsme cˇ istili a zda je ještˇe potˇreba. Další formou údržby je kompletní výmˇena hrotu. V dˇrívˇejších verzích programu bylo toto umožnˇeno udˇelat i uživateli. V souˇcasné verzi to již není možné a uživatel se musí obrátit na firemního technika. Hrot je totiž držen elektromagnetem, který se vypíná pˇres program a pokud se nevypne, hrozí poškození.

Planparalelnost Dalším krokem je kontrola planparalelnosti. Pro správné mˇeˇrení je nezbytné, aby se mˇeˇrící hlava pohybovala vzhledem k rovinˇe stolku rovnobˇežnˇe. Pˇredstav me si napˇríklad Vickersuv indentor, kterým dˇeláme vtisky na r˚uzných místech vzorku. Pokud není zkalibrována planarita, m˚uže se stát, že bude indentor dˇelat v r˚uzných místech vtisky pod r˚uznými úhly a tedy i plochy vtisk˚u se budou mˇenit. To zapˇríˇcí i velké rozdíly ve výsledných hodnotách mˇeˇrených veliˇcin. Po zapnutí procedury Position parallel se v programu se spustí pr˚u-


60

vodce a uživatele navede postupnými kroky ke správné kalibraci. Zjednodušenˇe ˇreˇceno na r˚uzných místech substrátu hledáme pozici, kdy už válcová hlava právˇe tˇesnˇe dosedla na povrch vzorku aniž by ho samozˇrejmˇe poškodila.

Vysunutí hrotu Následuje procedura pˇriblížení parametr˚u - approach parameters. Hrot, který je schovaný v hlavˇe, se pˇri mˇeˇrení musí vysunout. Toto vysunutí se navíc dˇelí do dvou krok˚u, kdy je hrot s válcovým krytem vysouván motorkem a od chvíle dosednutí válcového krytu na povrch, se hrot zaˇcne vysouvat pomaleji díky citlivˇejší metodˇe kontrole posunutí. Výrobcem garantovaná pˇresnost mˇeˇrení se vztahuje jen pro urˇcitý interval vysunutí. Standardní vysunutí je kolem 100 µm. Pokud vysunutí pˇrekroˇcí hodnotu 150 µm je mˇeˇrení nem˚užeme již poˇcítat s pˇresností, kterou nám deklaruje výrobce.

Kalibrace na standardu Posledním bodem údržby je kontrola hrotu na standardu. Indentor má velmi pˇresnou geometrii, ale nikoliv však dokonalou. Proto se u reálných hrot˚u vyskytují odchylky od ideální geometrie. Musíme proto provést kalibraˇcní mˇeˇrení, pˇri kterých hledáme funkci vtisku pro daný indetor. Vtisky se provádˇejí na certifikovaných materiálech, v našem pˇrípadˇe testujeme na borokˇremiˇcitanovém skle BK7, u kterého známe pˇresnˇe jeho optické a mechanické parametry. Pokud pˇri mˇeˇrení standardu nastávají odchylky od normálu to jest, že naše zmˇeˇrená hodnota tvrdosti je mimo rámec intervalu, který garantuje výrobce na standardu BK7 (HU 0,3/60/600 = (4150 ±75, 8) MPa), je nutné zkontrolovat hrot, znovu oˇcistit pˇrípadnˇe novˇe zkalibrovat.

Kapitola 6 Výsledky V této kapitole uvedeme široké spektrum r˚uzných vrstev a substrát˚u, na kterých budeme testovat nˇekolik základních charakteristik jako je univerzální tvrdost HU, vtisková tvrdost HIT , redukovaný modul pružnosti Er a diferenciální tvrdost Hdiff v závislosti na hloubce vtisku. Všechny tyto veliˇciny byly mˇeˇreny na mikroindentaˇcním pˇrístroji Fisherscope H100 Yyp. Data, která byla získána, byla zpracována pomocí softwaru WIN-HCU, který je souˇcástí mikroindentoru. Grafy byly vytvoˇreny v programu Origin. Vzorky byly pˇripraveny v plazmochemické laboratoˇri Ústavu fyzikální elektroniky. Název vrstvy konˇcí na pˇrípony, které znaˇcí substrát: si - kˇremík, st - ocel, gl - sklo. V závˇeru ještˇe uvedeme praktickou ukázku použití tenkých vrstev v domácnosti.

6.1

Dvojvrstvy

Na kˇremíkovém, sklenˇeném a ocelovém substrátu jsme vytvoˇrily systém dvou vrstev a53 a ch82. Vrstva a53 je SiO2 -podobná vrstva a ch82 je diamantupodobná vrstva (DLC). Dvojvrstevný systém vrstev se používá pomˇernˇe cˇ asto. Nejˇcastˇeji v pˇrípadech, kdy vrstva, která má pro nás žádoucí vlastnosti, na substrátu nedrží - má nízkou adhezi, nebo pokud dochází ke škodlivé difúzi prvk˚u ze substrátu do vrstvy. V takových to pˇrípadech se použije mezivrstva s dobrou adhezí, která neumožˇnuje nebo velmi znesnadˇnuje difúzi. V nˇekterých

– 61 –

Kapitola 6. Výsledky

62

situacích je takových vrstev i nˇekolik. Naše experimenty ukázaly, že amorfní uhlíkové diamantupodobné vrstvy (v našem pˇrípadˇe to byla vrstva ch82) mají nízkou adhezi, proto bylo užito SiO2 podobné vrstvy (a53). Parametry jsme otestovali na r˚uzných substrátech bez i s použitím mezivrstvy.

6.1.1

DLC-SiO2 podobné vrstvy na kˇremíku

Obrázek 6.1: Univerzální tvrdost v závislosti na hloubce vtisku u vrstev a53si (vlevo) a vrstvu ch82si (vpravo).

Obrázek 6.2: Vtisková tvrdost v závislosti na hloubce vtisku u vrstev a53si (vlevo) a ch82si (vpravo).


63

Obrázek 6.3: Redukovaný modul pružnosti v závislosti na hloubce vtisku u vrstev a53si (vlevo) a ch82si (vpravo).

Obrázek 6.4: Diferenciální tvrdost v závislosti na hloubce vtisku u vrstev a53si (vlevo) a ch82si (vpravo).

Tvrdost vrstvy ch82 je vˇetší než u vrstvy a53 (obr. 6.1), pro vrstvu ch82 dosahuje HU hodnoty asi 6,3 GPA a pro vrstvu a53 asi 5,5 GPa. Ve dvojvrstvˇe (obr. 6.5) dosahuje hodnota univerzální tvrdosti 5,5 GPa, to znamená, že se pˇri indentaci projevuje vliv vrstvy a53.

Z grafu, které nám ukazují závislost diferenciální tvrdosti na hloubce vtisku (obr. 6.4), m˚užeme odhadnout tloušt’ku vrstvy. Protože je jasnˇe vidˇet rozhraní mezi vrstvami ch82 a a53 a substrátem. U vrstvy a53si je tloušt’ka asi 740 nm a u vrstvy ch82si je asi 450 nm.


64

Obrázek 6.5: Univerzální tvrdost (vlevo) a vtisková tvrdost (vpravo) v závislosti na hloubce vtisku (vlevo) a pro dvojvrstvu ch82a53si.

Obrázek 6.6: Redukovaný modul pružnosti (vlevo) a diferenciální tvrdost (vpravo) v závislosti na hloubce vtisku pro dvojvrstvu ch82a53si.

Vrstvy byly ještˇe zmˇeˇreny na elipsometru a ten udal hodnoty pro vrstvu první 750 nm a pro druhou vrstvu 500 nm. Nepˇresnost v urˇcení tloušt’ky m˚uže být dána tím, že rozhraní není skokové a tedy je obtížné né-li nemožné pˇresnˇe urˇcit tloušt’ku pomocí gravu diferenciální tvrdosti. Pokud se podíváme na diferenciální tvrdost u dvojvrstvy (obr. 6.6 (vpravo)), m˚užeme odhadnout, že tloušt’ka dvojvrstvy je asi 1,2 µm, stejný tvar kˇrivky jsme vidˇeli i u obr. 6.4 (vlevo), jedná se o pˇrechod vrstvy a53 do kˇremíku. Asi na 250 nm vidíme pˇrechod vrstvy ch82 do vrstvy a53. Tyto pˇrechody lze vidˇet i na grafech jiných parametr˚u, ale v


65

grafu diferenciální tvrdosti jsou nejmarkantnˇejší.

6.1.2

DLC-SiO2 podobné vrstvy na skle

Obrázek 6.7: Univerzální tvrdost v závislosti na hloubce vtisku u vrstev a53gl (vlevo) a vrstvu ch82gl (vpravo).

Obrázek 6.8: Vtisková tvrdost v závislosti na hloubce vtisku u vrstev a53gl (vlevo) a ch82gl (vpravo).

V grafu na obrázku 6.11 vidíme, že si dvojvrstva zachovala vlastnosti DLC vrstvy ch82, vtisková tvrdost je prakticky totožná 8,5 GPa. Grafy univerzální tvrdosti a modulu pružnosti se ustálí na hodnotách, které jsou typické pro sklo, jelikož jsme se pˇri indentaci dostali až na substrát. M˚užeme si povšimnout tloušt’ky dvojvrstvy v grafu 6.12 (vlevo),


66

Obrázek 6.9: Redukovaný modul pružnosti v závislosti na hloubce vtisku u vrstev a53gl (vlevo) a ch82gl (vpravo).

Obrázek 6.10: Diferenciální tvrdost v závislosti na hloubce vtisku u vrstev a53gl (vlevo) a ch82gl (vpravo).

která bude asi 1 µm. Rovnˇež pokud srovnáme grafy vrstev na kˇremíku a na skle, vidíme, že na skle jsou pˇrechody mírnˇejší. To je dáno tím, že vrstva a53 je svými vlastnostmi sklupodobná a pˇrechod z ní na sklenˇený substrát není tak dramatický, nebo ještˇe jinými slovy návaznost vrstvy je velmi dobrá.


67

Obrázek 6.11: Univerzální tvrdost (vlevo) a vtisková tvrdost (vpravo) v závislosti na hloubce vtisku (vlevo) a pro dvojvrstvu ch82a53gl.

Obrázek 6.12: Redukovaný modul pružnosti (vlevo) a diferenciální tvrdost (vpravo) v závislosti na hloubce vtisku pro dvojvrstvu ch82a53gl.

6.1.3

DLC-SiO2 podobné vrstvy na oceli

Dvojvrstvu ch82+a53 na ocelovém substrátu pˇri diferenciální tvrdosti m˚uže pozorovat na obrázku 6.14 (vpravo). Jak je vidno v hloubce 400 nm nastává pˇrechod na vrstvu a53 a na 800 nm pˇrechod na substrát. Diferenciální tvrdost jsme urˇcovali pˇri zátˇeži 200 mN, nebot’ pˇri vyšších zátˇežích se objevovala silná delaminace. Silný vliv substrátu je vidˇet na obrázku 6.13 (vlevo), kdy tvrdost z˚ustává prakticky konstantní. Velký rozptyl hodnot na zaˇcátcích graf˚u, m˚uže být dán drsností ocelového povrchu.


68

Obrázek 6.13: Univerzální tvrdost (vlevo) a vtisková tvrdost (vpravo) v závislosti na hloubce vtisku (vlevo) a pro dvojvrstvu ch82a53st.

Obrázek 6.14: Redukovaný modul pružnosti (vlevo) a diferenciální tvrdost (vpravo) v závislosti na hloubce vtisku pro dvojvrstvu ch82a53st.

6.2

Supertvrdé vrstvy

Supertvrdé vrstvy jsou jistˇe velmi zajímavou oblastí studia. Jedná se zejména o vrstvy na bázi titanu, v našem pˇrípadˇe to byl karbid titanu (TiC), které svou tvrdostí patˇrí na Mohsovˇe stupnici mezi korund a diamant. Takovéto vrstvy mají velký význam pˇredevším v obrábˇecím pr˚umyslu.


69

Obrázek 6.15: Univerzální tvrdost (vlevo) a vtisková tvrdost (vpravo) v závislosti na hloubce vtisku (vlevo) a pro vrstvu TiC56st.

Obrázek 6.16: Redukovaný modul pružnosti (vlevo) a diferenciální tvrdost (vpravo) v závislosti na hloubce vtisku pro vrstvu TiC56st.

Již na obrázku 6.15 (vlevo) si m˚užeme všimnout velmi vysokých hodnot univerzální tvrdosti u supertvrdé vrstvy Tic56st pˇresahujících 14 GPa a jak tato hodnota klesá na úroveˇn tvrdosti substrátu – oceli. Z grafu na obrázku 6.16 (vpravo) m˚uže odhadnout tloušt’ku vrstvy zhruba na 780 nm, ale tento odhad m˚uže být mylný, nebot’ z další pr˚ubˇeh grafu nám ukazuje vznik multivrstevnatého systému na rozhraní. A hloubka 780 nm, m˚uže být jen zaˇcátkem tohoto systému.


70

Obrázek 6.17: Univerzální tvrdost (vlevo) a vtisková tvrdost (vpravo) v závislosti na hloubce vtisku (vlevo) a pro vrstvu cti248.

Obrázek 6.18: Redukovaný modul pružnosti (vlevo) a diferenciální tvrdost (vpravo) v závislosti na hloubce vtisku pro vrstvu cti248.

Z grafu na obrázku 6.18 (vpravo) m˚užeme vidˇet, že tloušt’ka vrstvy je asi 800 nm. V grafech 6.17 vidíme v této hloubce jasné výkyvy hodnot. Je velmi pravdˇepodobné, že právˇe zde došlo k delaminaci, což dokládá i obrázek 6.19, který byl poˇrízen pomocí Nomarského kontrastu. To umožˇnuje opticky zvýraznit místa s jinou hloubkou. Tyto výkyvy jsou výraznˇejší v grafech univerzální tvrdosti a redukovaného modul oproti vtiskové tvrdosti. Delmainace ovlivˇnuje velkou mˇerou elastickou odezvu, na které univerzální tvrdost a redukovaný modul závisí silnˇeji, než vtisková tvrdost.


71

Obrázek 6.19: Delaminace, která se vyskytla pˇri testování vrstvy cti248.

6.3

Polymerní vrstvy

Polymerní vrstvy obsahují, jak už název naznaˇcuje, nˇejaký polymer v našem pˇrípadˇe to byl SiOx Cy Hz. Tato transparentní vrstva byla vyvíjena za úˇcelem zvýšení povrchové tvrdosti plast˚u. Mˇeˇrení jejich vlastností je ale cˇ asto problematické, nebot’ mˇení vlastnosti pˇri zmˇenˇe teploty, cˇ i také záleží na rychlosti indentace.

Obrázek 6.20: Univerzální tvrdost (vlevo) a vtisková tvrdost (vpravo) v závislosti na hloubce vtisku (vlevo) a pro vrstvu vi70si.

U polymerní vrstvy vi70si tvrdost nar˚ustá (obr. 6.20 (vlevo)) na úroveˇn substrátu–kˇremíku


72

Obrázek 6.21: Redukovaný modul pružnosti (vlevo) a diferenciální tvrdost (vpravo) v závislosti na hloubce vtisku pro vrstvu vi70si.

(peaky mohou být zp˚usobeny delaminací). Z graf˚u na obrázku 6.21 (vpravo) m˚uže odhadnout tloušt’ku vrstvy zhruba na 1,3 µm.

6.4

Praktická ukázka

Vzorky charakterizované v pˇredchozí cˇ ásti byly pˇripraveny v rámci experimentálního výzkumu, který byl provádˇen pˇrevážnˇe pro výslednou pr˚umyslovou aplikaci. Tenké vrstvy se však už dávno staly souˇcástí našeho života i když si to úplnˇe neuvˇedomujeme. M˚užeme zmínit napˇr. skla mobilních telefon˚u, nebo brýlí bývají potaženy ochranou vrstviˇckou, která musí být pr˚uhledná, ale zároveˇn musí mít lepší vlastnosti než sklo. Rovnˇež v automobilové pr˚umyslu je velká poptávka po tenkých vrstvách, protože jejich využití m˚uže podstatnˇe zlevnit výrobu díky tomu, že lze použít lehˇcích materiál˚u a povlakem zvýšit jejich odolnost proti degeneraci. Napˇríklad hydrofobní a otˇeruvzdorná vrstva na skle, nebo vrstva, která zvýší odrazivost reflektor˚u. V následujícím ukážeme, že tenké vrstvy používáme i pˇri normální práci v domácnosti. Jako pˇríklad pˇredmˇetu bˇežné denní potˇreby, m˚uže posloužit pánviˇcka. Zákazník jedné nejmenované firmy si koupil na promo akci údajnˇe úžasnou, otˇeruvzdornou, antiadhezní, multivrstevnou pánviˇcku. Leˇc po mˇesíci používání se zaˇcala odlupovat vrstva a zákazník


73

se snažil zboží neúspˇešnˇe reklamovat. Naším úkolem bylo otestovat mechanické vlastnosti povrchu pánviˇcky.

Pánev jsme podrobili sérii nˇekolika test˚u. Z nanoindentaˇcních mˇeˇrení jsme zjistili, že tvrdost a elastický modul jsou velmi nízké: H = (114±20) MPa a Y = (12,4±1,3) GPa. Podobnými mechanickými parametry se vyznaˇcují mˇekˇcí plasty (výrobce zd˚urazˇnoval, že se nejedná o materiál podobný teflonu), které lze jen tˇežko nazvat otˇeruvzdornými. D˚ukazem tohoto byla i skuteˇcnost, že do povrchu vrstvy bylo možné udˇelat rýhu i pouhým dˇrevˇeným nástrojem. Na obrázku 6.22 m˚užeme vidˇet jak je zpoˇcátku (5 µm) vrstva mˇekká a cˇ ím jdeme hloubˇeji tak tvrdost roste (resp. smˇernice kˇrivky roste). Na stejném obrázku si m˚užeme všimnout i skok˚u na kˇrivkách, které jsme dali do souvislosti s prasknutím cˇ ásteˇcek, tyto cˇ ásteˇcky se totiž ukázaly být velmi kˇrehké (firma tvrdila, že zvyšují tvrdost a antiadhezní charakter povrchu). Tento efekt se dokonce projevil i s vylamováním kousk˚u cˇ ásteˇcek z materiálu pánviˇcky.

Obrázek 6.22: Ukázky zátˇežových a odlehˇcovacích kˇrivek (závislost zátˇež/hloubka – loaddepth) namˇeˇrených pˇri 1000 mN. Pˇri testování se delaminace nikdy nevyskytla, avšak údaje výrobce, které si cˇ lovˇek m˚uže pˇreˇcíst v informaˇcním letáku k výrobku, jsou mnohdy zavádˇející. Celý systém se skládá ze sedmi vrstev, u kterých výrobce s každou další garantuje vˇetší a vˇetší otˇeruvzdornost a tvrdost. Nutno podotknout, že záleží pˇredevším na horní vrstvˇe a to že pátá vrstva má


74

Obrázek 6.23: Zvetšení škrábance, který byl proveden dˇrevˇeným párátkem. V okolí jsou vidˇet i cˇ ásteˇcky.. velkou odˇeruvzdornost nás m˚uže zajímat až poté, co se na tuto vrstvu prodˇreme. U šesté vrstvy je navíc uvedeno, že má nepˇrilnavé vlastnosti, které se asi dle prodejce pˇrenášejí skrze sedmou vrstvu.

Ukázali jsme, že znalost pojm˚u adheze, otˇeruvzdornost, tvrdost a dalších m˚uže do jisté míry ovlivnit naši volbu, který výrobek si koupit. Nebot’ nás mohou varovat už rozporuplné informace z popisu výrobku, které se cˇ lovˇeku tˇechto pojm˚u neznalých, mohou jevit naopak jako pˇrednost.

Závˇer Tato práce by mˇela být pr˚uvodcem v oblasti mechanických vlastností tenkých vrstev. Proto jsme se nejdˇríve vˇenovali historii urˇcování mechanických vlastností, nebot’ znalost historie lidského bádání a uvažovaní, rozvíjí myšlení a pˇredstavivost a je základem k dalšímu vývoji v daném oboru. Dále jsme popsali nejr˚uznˇejší mechanické veliˇciny a zp˚usoby jejich mˇeˇrení u tenkých vrstev. Pˇredevším jsme se vˇenovali metodˇe instrumentované indentace a problém˚um, které mohou pˇri mˇeˇrení nastat. Poté jsme se zamˇeˇrili na pˇrístroje, které v souˇcasnosti slouží k urˇcování vlastností tenkých vrstev. Poznali jsme rovnˇež mechanismy, na kterých tyto pˇrístroje fungují.

V experimentální cˇ ásti jsme uvedli pˇríklady nˇekolika typ˚u vrstev, na kterých byly mˇeˇreny jejich mechanické vlastnosti. Jednalo se o supertvrdé vrstvy, polymerní vrstvy a dvojvrstvy. U dvojvrstev jsme si pˇredevším všímali vlastností rozhraní. U supertvrdých vrstev jsme mohli pozorovat delamininaci a nˇekteré další jevy, závisející na vlastnostech vrstvy a substrátu. V praktické ukázce z bˇežného života, jsme rozebrali vlastnosti pánviˇcky. A zjištˇené hodnoty jsme porovnávali s hodnotami udanými výrobcem. Naˇcež jsme zjistili, že výrobce cˇ asto používá nesmyslná spojení, které by mohl cˇ lovˇek, elementárnˇe vzdˇelaný v této oblasti, odhalit.

– 75 –

Seznam použité literatury [1] J. Malzbender, J.M.J. den Toonder, A.R. Balkenende a G. de With, Measuring mechanical properties of coatings: a methodology applied to nano-particle-filled sol–gel coatings on glass, Materials Sience and ENgineering: R: Reports (2002), 47–103. [2] V. Buršíková, Studium povrchových a mechanických vlastností tenkých vrstev a plazmaticky modifikovaných materiál˚u, Habilitaˇcní práce, Pˇrírodovˇedecká fakulta Masarykovy univerzity, 2009. [3] J. Dušek, Tvrdost, mikrotvrdost, nanotvrdost - cˇ isté kovy mˇerˇené metodou DSI, Disertaˇcní práce, Pˇrírodovˇedecká fakulta Masarykovy univerzity, 2011. [4] Skupina S.P. Bakera, Cornellská univerzita, http://www.nanoindentation.cornell.edu/home_main.htm [5] P. Stratil, Analysis of instrumented indentation, Diplomová práce, Pˇrírodovˇedecká fakulta Masarykovy univerzity, 2009. [6] T. Novotný, Plazmochemická depozice nanostrukturovaných diamantupodobných tenkých vrstev, Bakaláˇrská práce, Pˇrírodovˇedecká fakulta Masarykovy univerzity, 2010. ˇ [7] M. Cerná, Tvrdost a mikrotvrdost pevných látek, Bakaláˇrská práce, Pedagogická fakulta Masarykovy univerzity, 2011.

– 76 –

Seznam použité literatury

77

[8] Z. Zong, J. Lou, O.O. Adewoye a kol. Indentation Size Effects in the Nano and Microhardness of FCC Single Crystal Metals, Materials and Manufacturing Processes (2007), 228–237. [9] P.J. Withers a H. K. D. H. Bhadeshia, Residual stress. Part 1 Measurement techniques. Mat. Sci. and Tech. 17 (2001), 355-366. [10] I. Kubˇena, Vývoj metodiky nanoobrábˇení pˇri studiu mechanických vlastností tenkých vrstev pomocí fokusovaných iontových svazk˚u, Diplomová práce, Fakulta strojního inženýrství Vysokého uˇcení technického 2008. [11] V. Kraus, O. Bláhová a M. Polák, Povrchy a jejich úpravy, Západoˇceská univerzita 2005, http://www.kmm.zcu.cz/Blahova/CDPOU/ [12] R. Novák, Adheze tenkých vrstev k podložce, Škola vákuovej techniky 1999. ISBN 80-227-1192-6 [13] K.L. Mittal a kol., Adhesion measurement of films and coatings, Zeist: VSP (2001), ISBN 9067643378 [14] L. Kelar, Pˇríprava ochranných vrstev na polymerní materiály metodou plazmochemické depozice, Bakaláˇrská práce, Pˇrírodovˇedecká fakulta Masarykovy univerzity, 2007 [15] T. Foˇrt, Charakterizace nanostruktur deponovaných PVD a CVD technologiemi, Doktorská práce, Fakulta elektrotechniky a komunikaˇcních technologií, Vysoké uˇcení technické v Brnˇe, 2009 [16] http: // michaelkowal. files. wordpress. com/ 2009/ 10/ aristoteles. png [17] http://www.eressostravel.gr/travelcosmos/gr/history_and_mythology

Seznam použité literatury

[18] http: // it. wikipedia. org/ wiki/ File: Musschenbroek_ traction. jpg [19] http://myelectrical.com/wiki/topic/heinrich-hertz [20] http: // www. osobnosti. net/ foto-johan-august-brinell. htm [21] http://ime.fme.vutbr.cz/files/Studijni%20opory/zmv/poldi% 20kladivko.doc [22] http: // www. quido. cz/ mereni/ poldiKladivko. htm [23] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/de/ BrinellHardness.svg [24] http: // michaelkowal. files. wordpress. com/ 2009/ 10/ aristoteles. png [25] http://www.converter.cz/jednotky/tvrdost-rockwell.htm [26] http: // www. converter. cz/ jednotky/ tvrdost-brinell. htm [27] http://www.vscht.cz/kat/download/lab2_charakteristika_povrchu_ vrstev.pdf [28] http: // www. tu-chemnitz. de/ mb/ lvw/ forschung/ ta38_ scratch_ en. php [29] http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:LVDT.png [30] http: // www. hysitron. com/ products/ ti-series/ ti-950-triboindenter [31] http://www.csm-instruments.com/en/Ultra-Nanoindentation [32] http: // www. unileoben. ac. at/ content/ view/ 1996/ 2002/ lang,en/ [33] http://ncf.colorado.edu/instdocs/documentation/Indenter/NanoXP_ Indenter.pdf

78

Studium mechanických vlastností tenkých vrstev

Recommend Documents