Nghiên cứu thiết kế chế tạo dụng cụ đánh giá độ bền của lớp phủ trên chi tiết máy

Một số ứng dụng tiêu biểu của màng mỏng Trong quang học màng mỏng được chế tạo để tạo nên một lớp phủ có tính chất quang, cơ nhất định trên nền đế như các màng giảm phản xạ, màng phản xạ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO DỤNG CỤ ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN CỦA

LỚP PHỦ TRÊN CHI TIẾT MÁY

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÀNG MỎNG CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐỘ BÁM DÍNH CỦA MÀNG MỎNG 8

1.1 Khái niệm và vai trò của màng mỏng trong công nghiệp hiện đại 8

1.2 Các phương pháp chế tạo màng mỏng 10

1.2.1 Phương pháp ngưng tụ hóa học 10

1.2.2 Phương pháp ngưng tụ vật lý (PVD) 11

1.2.3 M ột số phương pháp khác 12

1.3 Độ bám dính của màng mỏng và các phương pháp xác định 13

1.3.1 Phương pháp kéo 14

1.3.2 Phương pháp sử dụng tia LASER 15

1.3.3 Phương pháp phun cát 16

1.3.4 Phương pháp cà tỳ 16

1.3.5 Phươn pháp rạch 17

1.4 Vai trò của việc xác định độ dính bám của màng mỏng đối với dụng cụ cắt 18

1.4.1 Các cơ chế mòn 19

1.4.2 Cải thiện bằng lớp phủ bề mặt 23

CHƯƠNG II: ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN CỦA LỚP PHỦ BẰNG PHƯƠNG PHÁP RẠCH 25 2.1 Tổng quan phương pháp rạch 26

2.1.1 Lịch sử phát triển và ứng dụng của thiết bị rạch trong công nghiệp màng mỏng 26

2.1.2 Một số thông số của thiết bị rạch hiện đang sử dụng trên thế giới 28

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến vết rạch các chỉ tiêu đánh giá liên quan 29

2.2.1 Điều kiện cần thiết để định lượng thí nghiệm rạch 29

2.2.2 Các cơ chế phá huỷ trong thí nghiệm rạch 30

2.2.3.Cơ chế phá hủy có liên quan tới độ bám dính từ lớp phủ cứng 35

2.2.4.Ứng suất gây ra sự phá hủy 40

2.2.5 Dò tìm sự phá hủy 42

2.3 Một số thí nghiệm điển hình trên thế giới 43

2.3.1 Lớp phủ cứng trên lớp nền mềm 43

2.3.2 Lớp phủ cứng trên lớp nền cứng 52

2.4 Kết luận 54

CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ RẠCH ĐO ĐỘ BÁM DÍNH CỦA MÀNG MỎNG 56

3.1 Sơ đồ nguyên lý thiết bị rạch 56

3.2 Tính toán thiết kế hệ thống cơ khí 56

3.2.1.Tính toán & chọn hệ dịch chuyển cho trục X 57

3.2.2 Tính toán khung đàn hồi 66

3.3 Thiết kế phần điện 68

3.3.1 Sơ đồ khối phần điện điều khiển cho thiết bị 68

3.3.2 Thiết kế chi tiết 69

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ BÀN LUẬN 75

4.1 Một số hình ảnh về thiết bị đã chế tạo 76

4.2 Đo thử mẫu và nhận xét đánh g 81

4.2.1 Một số mẫu đo với áp lực đo tăng dần 81

4.2.2 Một số mẫu đo với áp lực đo cố định 84

KẾT LUẬN 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

PHỤ LỤC 91

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Trang

Chương 1

Hình 1.1

Hình 1.2

Hình1.3

Hình 1.4

Hình 1.5

Hình 1.6

Hình 1.7

Hình 1.8

Hình 1.9

Hình 1.10

Hình 1.11

Hình 1.12

Chương 2

Hình 2.1

Hình 2.2

Hình 2.3

Hình 2.4

Hình 2.5

Hình 2.6

Hình 2.7

Hình 2.8

Hình 2.9

Hình 2.10

Hình 2.11

Hình 2.12

Hình 2.13

Hình 2.14

Một số ứng dụng tiêu biểu của màng mỏng………

Hình chụp cắt ngang màng mỏng đa lớp

Động cơ stirling mạ vàng

Phương pháp chế tạo màng theo nguyên tắc topotaxy

Xác định độ bám dính bằng phương pháp kéo

Xác định độ bám dính bằng phương pháp phun cát

Xác định độ bám dính bằng phương pháp cà tỳ

Xác định độ bám dính bằng phương pháp rạch

Các cơ chế mòn của dụng cụ

Sơ đồ cơ chế mòn dụng cụ xuất hiện ở các nhiệt độ cắt khác nhau

Các dạng mòn dẫn đến phá hỏng dụng cụ và lẹo dao

Sơ đồ quá trình mòn của lớp phủ … Nguyên lý thiết bị rạch và biểu đồ thể hiện thông số thu được khi rạch của thiết bị được đăng kí phát minh ………

Thiết bị rạch của hãng CSM ………

Thiết bị rạch và giao diện phần mềm của hãng Tribo technic Thông số thiết bị rạch của hãng CSM

Vết rạch lớp phủ mềm được quan sát trên thiết bị SEM ………

Xác định độ bám dính lớp phủ mềm dựa trên lực ma sát trong quá trình rạch ………

Sự phá hủy do ứng suất của lực nén ……….……

Dạng vết rạch trên lớp phủ cứng ………

Xác định L và β của các phoi dạng tấm ………

Mũi rạch bị phá vỡ do hiện tượng chêm khi rạch ………

Kết quả thu được trên thí nghiệm rạch MA956………

Kết quả tính theo phần tử hữu hạn cho mẫu MA956………

Ứng suất phá huỷ được tính toán ………

9

10

11

13

15

17

17

18

20

22

23

26

29

30

30

31

33

34

37

38

41

42

48

49

52

53

Hình 2.15

Hình 2.16

Chương 3 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Hình 3.6 Hình 3.7 Chương 4 Hình 4.1 Hình 4.2 Hình 4.3 Hình 4.4 Hình 4.5 Hình 4.6 Hình 4.7 Hình 4.8 Hình 4.9 Hình 4.10 Hình 4.11 Hình 4.12 Hình 4.13 Hình4.14 Hình 4.15 Hình 4.16 Giá trị σF tính toán ……… ………

Hình ảnh vết rạch quan sát được trên máy SEM …………

Đồ thị lực ngang và hệ số ma sát thu được trong thí nghiêm rạch

Nguyên lý thiết bị đã được đăng kí phát minh………

Nguyênl□thi□tb□ch□ ………

Mô hình cơ khí đã chế tạo………

Sơ đồ khối mạch đo và điều khiển thiết bị cào xước lớp phủ… Sơ đồ khối cảm biến đo lực sử dụng chuyển đổi điện cảm……

Sơ đồ khối mạch AD cho cảm biến điện cảm……… Sơ đồ khối mạch điều khiển động cơ………

Mạch điện chế tạo dùng trong thiết bị rạch………

Hộp mạch điện chế tạo dùng trong thiết bị rạch………

Thiết bị rạch đã chế tạo………

Hình ảnh tổng quan thiết bị rạch………

Khung đàn hồi và các cảm biến trên thiết bị rạch………

Bộ phận gia lực tuyến tính đã thiết kế và chế tạo………

Đầu mũi rạch sử dụng trong các thi nghiệm………

Giao diện điều khiển đo của thiết bị………

Thử nghiệm độ nhạy cảm biến áp lực………

Kết quả đo mẫu 1………

Kết quả đo mẫu 2………

Kết quả đo mẫu 3………

Kết quả đo mẫu 1………

Kết quả đo mẫu 2………

Kết quả đo mẫu 4………

Kết quả đo mẫu 6………

57

57

60

61

73

74

75

78

79

82

82

83

83

84

84

85

86

86

87

88

89

90

91

92

96

MỞ ĐẦU Thế kỷ 21, nhu cầu của con người trong nghiên cứu khoa học, công nghiệp, phục vụ đời sống và chăm sóc sức khỏe con người… ngày càng đa dạng và phức tạp Bên cạnh đó nguồn nguyên vật liệu, năng lượng càng ngày càng trở nên khan hiếm, các nhà khoa học phải tập trung tìm tòi nhằm tận dụng tối đa những nguyên vật liệu sẵn có để nâng cao chất lượng giá trị sản phẩm Một trong các định hướng nghiên cứu nhằm giải quyết vấn đề trên là công nghệ màng mỏng

Công nghệ màng mỏng hình thành đi vào phục vụ kĩ thuật và đời sống con người đã mở ra một kỉ nguyên mới trong khoa học hĩ thuật, sản phẩm của ngành công nghiệp này có mặt hầu hết trong các trang thiết bị, các lớp phủ có thể là để trang trí, tăng độ bền, vi hóa các sản phẩm cồng kềnh Trong khoa học kĩ thuật lớp phủ có vai trò rất quan trọng như việc thu nhỏ tăng hiệu suất của các chíp máy tính (một ngành công nghiệp thay đổi toàn bộ thế giới quan của con người), các sản phẩm phục vụ công nghiệp vũ trụ, năng lượng mặt trời, các chi tiết chịu điều kiện làm việc khắc nghiệt như dụng cụ cặt, đầu phun, đầu đốt…Tầm quan trọng của màng mỏng không thể phủ nhận việc đánh giá kiểm soát chất lượng của chúng càng là một vấn đề cần quan tâm nhằm đảm bảo hiệu quả sản suất cũng như sử dụng

Công nghệ màng mỏng được du nhập vào nước ta từ thế kỉ trước và được chú ý như một ngành công nghiệp từ những năm 80 của thế kỉ XX, các sản phẩm mạ hóa, mạ theo phương pháp vật lý Tuy nhiên, do đó là một ngành công nghệ phức tạp, nên việc phát triển xây dựng thành một ngành công nghiệp mũi nhọn đã không được đề cập đến, hầu hết chỉ được đầu tư ở mức độ trang thiết bị kĩ thuật nhằm sản xuất ra sản phẩm chứ chưa quan tâm

đến vấn đề kiểm tra kiểm soát chất lượng Thiếu trang thiết bị kiểm tra dẫn đến việc sản xuất ra các sản phẩm kém chất lượng đã làm cho một số đơn vị sản xuất màng mỏng có nguy cơ bị giải thể

Trong quá trình kiểm tra chất lượng mang mỏng xác định cơ tính là một điều kiện hết sức quan trọng vì cơ tính quyết định rất lớn đến vai trò của lớp mạ cho chi tiết một chỉ tiêu đánh giá quan trọng có ý nghĩa bao quát

chính là việc xác định độ bám dính của mảng lên chi tiết mạ Điều này đặc biệt có ý nghĩa đối với những chi tiết được phủ để nâng cao tuổi thọ làm việc trong cơ khí Do thiếu đầu tư đồng bộ, các thiết bị đo phục vụ mục đích này hầu như không có trong các cơ sở màng mỏng trong nước mặt khác giá cả một thiết bị đáp ứng chức năng như vậy rất cao lên đến vài chục vài trăm nghìn USD do đó việc nghiên cứu chế tạo ra một thiết bị đảm bảo độ tin cậy làm việc trở nên rất cáp thiết đối với khoa học trong nước Tuy vậy, chưa có một công trình nào nghiên cứu, chế tạo ra thiết bị đáp ứng kể trên Do vậy, với việc chọn đề tài luận văn “Nghiên cứu thiết kế chế tạo dụng cụ đánh giá

độ bền của lớp phủ trên chi tiết máy” em muốn có một đinh hướng giải quyết những bất cập kể trên Nhằm cung cấp một số thông tin về việc kiểm tra kiểm soát chất lượng lớp phủ, chế tạo và chạy thử thiết bị đo trên một số mẫu bước đầu đánh giá khả năng chế tạo ra các thiết bị đo chuyên dụng phục vụ mục đich nghiên cứu và sản xuất

Do kiến thức và thời gian hạn chế nên luận văn không tránh khỏi các thiếu sót về mặt tính toán cũng như không đầy đủ về nội dung Em rất mong được

sự góp ý của các thầy cô giáo để luận văn được hoàn thiện, có thể giúp ích hiệu quả cho công việc thiết kế, chế tạo

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của cô giáo

TS Nguyễn Thị Phương Mai, TS Nguyễn Văn Vinh cùng với các thầy cô giáo trong bộ môn đã tạo điều kiện tốt cho em hoàn thành luận văn này

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÀNG MỎNG CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH

ĐỘ BÁM DÍNH CỦA MÀNG MỎNG

1.1 Khái niệm và vai trò của màng mỏng trong công nghiệp hiện đại

Màng mỏng (Thin film) là một hay nhiều lớp vật liệu được chế tạo sao cho chiều dày nhỏ hơn rất nhiều so với các chiều còn lại (chiều rộng và chiều dài) Khái niệm "mỏng" trong màng mỏng rất đa dạng, có thể chỉ từ vài lớp nguyên tử, đến vài micromet hay vài nanomet

Hiện nay, màng mỏng đang là một lĩnh vực nghiên cứu mạnh mẽ của các ngành khoa học như: công nghệ vật liệu, vật lý chất rắn, năng lượng sạch được ứng dụng phổ biến trong đời sống hàng ngày, trong sản xuất, trong công nghệ hiện đại, có thể thấy rõ vai trò của màng mỏng trong các lớp phủ cho thiết bị quang học, công nghiệp điện tử… Hình 1.1 là một số ứng dụng tiêu biểu của màng mỏng

Hình 1.1 Một số ứng dụng tiêu biểu của màng mỏng

Trong quang học màng mỏng được chế tạo để tạo nên một lớp phủ có tính chất quang, cơ nhất định trên nền đế như các màng giảm phản xạ, màng phản xạ hay bán phản xạ, các loại kính lọc…

Màng mỏng cũng thực sự tạo nên những đột biến trong việc nâng cao tuổi thọ làm việc của các chi tiết trong những ứng dụng như nâng cao tuổi thọ của các dụng cụ cắt gọt, các thiết bị làm việc trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt như tàu vũ trụ, máy bay các loại đầu phun trong các lò nhiệt luyện… Công nghệ màng mỏng là một trong những công nghệ đưa nền kĩ thuật đi tới khái niệm công nghệ micro, công nghệ nano, nhờ sự phát triển của nền công nghệ màng mỏng các linh kiện điện tử được tích hợp nhỏ gọn hơn, nâng cao tính năng của chúng điển hình trong các sản phẩm chíp máy tính, ổ đĩa cứng các loại màn hình cũng như hầu hết các linh kiện điện tử khác

Trong công nghiệp năng lượng cũng như nghiên cứu sinh học việc tạo

ra các pin năng lượng mặt trời góp phần không nhỏ mang lại khả năng sử dụng một nguồn năng lượng sạch nâng cao chất lượng cuộc sống

Màng mỏng được chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau, độ dày cũng như cấu trúc của lớp màng mỏng cũng rất đa dạng tùy theo mục đích

nghiên cứu sử dụng của các loại màng đó, các màng quang học có thể đạt tới vài chục lớp độ dày mỗi lớp có thể chỉ vài nano

Hình 1.2 Hình chụp cắt ngang màng mỏng đa lớp

Hình 1.2 cho ta thấy các lớp màng mỏng được chụp trên kính hiển vi điện tử truyền qua TECNAI T20, các lớp chỉ có chiều dày từ vài nanomet đến vài chục nanomet (Si/SiO2/Cu/IrMn/CoFeB/MgO/CoFeB/Ta/Cu/Au)

1.2 Các phương pháp chế tạo màng mỏng

Sự phát triển của khoa học công nghệ ngược lại tác dụng tích cực tới sự phát triển của công nghệ chế tạo màng mỏng

Một số phương pháp chế tạo màng mỏng điển hình như:

Phương pháp ngưng tụ hóa học

Phương pháp ngưng tụ vật lý

Và một số phương pháp khác…

1.2.1 Phương pháp ngưng tụ hóa học

Đây là một phương pháp chế tạo màng mỏng lâu đời nhất, được ứng dụng rộng rãi trong việc chế tạo các màng phục vụ cho các thiết bị sử dụng cũng như các thiết bị trong các ngành kĩ thuật Các dung dịch hóa chất được pha chế sẵn khi cho chi tiết cần tạo màng vào, các phần tử chất mạ ngưng tụ trên bề mặt vật cần mạ và tạo màng Ưu điểm của phương pháp này là có khả năng tạo màng trên các bề mặt chi tiết phức tạp, tuy nhiên chất lượng bề mặt cũng như độ chính xác, cơ tính màng không cao

Phương pháp mạ hoá thường sử dụng dung dịch muối của kim loại cần

mạ nhúng vật cần mạ sử dụng các

phản ứng hóa học, điện hóa nhằm tạo

lên một lớp màng trên bề mặt vật cần

mạ, các vật liệu màng thường được

mạ theo phương pháp này như: vàng,

bạc, crom, đồng, niken….trên hình là

động cơ stirling được mạ vàng

Hình 1 3 Động cơ stirling mạ vàng

Một số phương pháp mạ hóa rất được chú ý như CVD (Chemical vapor

deposition), MOCVD, Plasma enhanced CVD (PECVD), Platting…

1.2.2 Phương pháp ngưng tụ vật lý (PVD)

Là phương pháp chế tạo ra các loại màng mỏng dựa nguyên tắc tác động của năng lượng cao, vật liệu tạo màng được cung cấp năng lượng nóng chảy hóa hơi để tạo nên một môi trường giống như các lớp sương mù sau đó các phân tử vật liệu này lắng đọng trên các vật cần tạo màng hình thành các mối liên kết tạo nên các lớp màng Do quá trình tạo màng cần cung cấp năng lượng cao và đảm bảo quãng đường di chuyển của các phân tử là ngắn nhất nên quá trình thường diễn ra trong môi trường chân không cao thường < 10-4

Torr Việc phân loại phương pháp này dựa vào cách thức làm hóa hơi vật liệu tạo màng

- Bốc bay nhiệt là cách hóa hơi vật liệu thường dung nguồn điện một chiều nung nóng các thuyền có thể dạng dây mai xo hoặc dạng thuyền làm cho vật liệu nóng chảy và bay hơi Phương pháp thường sử dụng cho vật liệu bốc bay có nhiệt độ nóng chảy thấp

- Phương pháp bốc bay bằng chùm electron (electron beam evaporator) phương pháp này dùng chùm ion do súng ion bắn ra (Electron gun) chùm ion được bắn vào vật liệu cần bốc cung cấp năng lượng làm cho vật liệu bốc bay trong các nồi chứa nóng chảy và bay hơi, đây là phương pháp có thể chế tạo màng cho hầu hết các vật liệu bốc bay và ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chế tạo màng

- Phương pháp Sputtering tạo plasma cung cấp năng lượng cho các khí trơ như Argon bắn phá lên các tấm là vật liệu tạo màng, các phân tử được tách ra khỏi bia và chuyển động đến các đế cần bốc Đây là phương pháp được ứng dụng rất hiệu quả trong công nghiệp như chế tạo các loại lớp phủ cứng trên các dụng cụ cắt, chế tạo đĩa CD, DVD…

Ngoài các tác phương pháp làm bốc hơi vật liệu kể trên còn có thể sử dụng nguồn laser công suất cao chiếu trực tiếp lên các vật liệu cần bốc bay

1.2.3 M ột số phương pháp khác

Một số phương pháp được phân loại chủ yều là sự kết hợp giữa phương pháp hoá học và phương pháp vật lý kể trên Một số phương pháp tiêu biểu như: reactive sputtering giống như phương pháp sputtering nhưng khi thoát khỏi bia các phân tử phản ứng với khí trộn lẫn như Oxy hay Nitơ, phương pháp MBE (molecular beam epitaxy) có thể điều khiển cho các lớp phủ với độ chính xác tới từng lớp phân tử, phương pháp topotaxy giống như phương

pháp epitaxy các tinh thể được nuôi cấy có cấu trúc giống như cấu trúc của thạch anh ( cấu trúc heterotopotaxy hoặc homotopotaxy) Hình 1.4 phương pháp chế tạo màng theo nguyên tắc topotaxy

Hình1 4 Phương pháp chế tạo màng theo nguyên tắc topotaxy

1.3 Độ bám dính của màng mỏng và các phương pháp xác định

Sự bám dính theo tiêu chuẩn ASTM (American Society for Testing and Metarial) được định nghĩa là trạng thái trong đó hai bề mặt dính vào nhau bởi lực tiếp xúc; lực đó có thể là lực hoá học (lực liên kết hoá học), lực do trạng thái tiếp xúc hoặc cả hai Những lực tạo nên độ bám dính có thể là lực Vander Waals, lực điện, lực do sự thiêu kết hoá học

Do đó, độ bám dính là khả năng bám chặt của màng với bề mặt chi tiết được mạ màng do lực liên kết các phân tử màng với các phân tử đế

Độ bám dính phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác nhau:

- Tình trạng chi tiết được mạ màng và vật liệu chi tiết được mạ màng

- Vật liệu chế tạo màng, về bề dày màng, về số lớp màng

- Sự khác biệt giữa màng và đế về hệ số giãn nở nhiệt, về ứng suất

- Điều kiện công nghệ chế tạo màng, điều kiện làm sạch, áp suất buồng chân không, vận tốc thăng hoa, vận tốc ngưng đọng, nhiệt độ đế trong khi tạo màng…

- Điều kiện môi trường và thời gian sử dụng màng: áp suất, nhiệt độ

và độ ẩm

Độ bám dính là một thuộc tính quan trọng của lớp phủ biểu trưng cho

cơ tính của vật liệu phủ trên bề mặt vật được phủ Ảnh hưởng của độ bám dính có thể làm cho chức năng của lớp phủ bị mất đi Vì vậy, đánh giá độ bám dính có ý nghĩa hết sức quan trọng Rất nhiều kỹ thuật, phương pháp để đánh giá độ bám dính, một vài phương pháp dựa trên lực liên kết so sánh để đánh giá Tuy nhiên, chúng đều có giới hạn trong phạm vi sử dụng nhất định

Các phương pháp đánh giá độ bám dính có cơ sở tạo lực làm bóc tách các phần tử màng với nhau và với vật liệu đế Các phương pháp đánh giá độ bám dính tạo ra lực tác dụng tách màng ra khỏi bề mặt đế hoặc phương pháp không phá màng thông qua tính dẫn điện, điện trở, điện dung và truyền nhiệt giữa màng và đế

1.3.1 Phương pháp kéo

Đây là phương pháp vẫn đang được áp dụng để đánh giá độ dính bám của các lớp phủ có độ bám dính không cao Nguyên tắc là phá vỡ lực liên kết giữa lớp phủ và đế bằng cách sử dụng lực kéo

Hình 1.5 Xác định độ bám dính bằng phương pháp kéo

§Õ Líp phñ

§Çu t¹o lùc t¸c dông F

§ Ç u t¹ o lù c t¸ c d ô n g

L í p p h ñ

§ Õ

§ Ç u t¹ o lù c t¸ c d ô n g

Một ví dụ của phương pháp kéo được Kwahara trình bày: sử dụng một thanh trụ bằng thép, một đầu gắn với lớp phủ bằng keo epoxy Cố định phần

đế và lớp phủ Sau đó tác dụng tải có phương song song với lớp phủ tác dụng lên thanh trụ Dưới sự tác dụng lực thì lớp phủ bị bóc tách khỏi đế thông qua

độ lớn lực tác dụng, tính chất keo sẽ đánh giá được độ bám dính Điều cần chú ý là tính chất của keo liên kết và lực tác dụng đảm bảo không sinh mômen uốn trên toàn bề mặt lớp phủ

Giới hạn của phương pháp này là sử dụng keo hoá học, cụ thể thường

sử dụng keo epoxy Phải luôn đảm bảo độ dính bám lớn nhất luôn nhỏ hơn lực liên kết của keo gắn bề mặt lớp phủ với dụng cụ thí nghiệm Tuy vậy, đây vẫn là một phương pháp hiệu quả để đánh giá độ dính bám trong nhiều năm qua Cũng có thể sử dụng áp lực nhạy đặt lên bề mặt để phát hiện mức độ bóc tách của lớp phủ

1.3.2 Phương pháp sử dụng tia LASER

Tia laser laser xung năng lượng cao được sử dụng để bóc tách lớp phủ khỏi đế:

Phương pháp thứ nhất tia laser được chiếu ngược từ phần đế khi gặp mặt phân cách sẽ có năng lượng cao gây nên sự va chạm đột ngột tại mặt phân cách nếu năng lượng đủ lớn sẽ làm bóc tách lớp phủ hoặc đo trực tiếp độ bám dính mà không cần bóc lớp phủ

Phương pháp thứ hai là sử dụng tia chiếu từ phía lớp phủ xuống nhưng không làm bóc tách lớp phủ Nó có bản chất giống như sóng siêu âm, nó có thể phát hiện độ hụt giữa các lớp trong từng miền dính kết Dùng tia laser xung tác dụng lên bề mặt lớp phủ và ứng với một bước sóng xác định Hình ảnh hợp lý của độ hụt dính bám khoảng 0.2 mm chiều rộng Phương pháp này

sử dụng tốt nhất với lớp phủ có chiều dày khoảng 0.5mm và đế dày khoảng 3mm

phương pháp sử dụng tia laser có lợi thế hơn tất cả các phương pháp khác Nó có một ưu điểm đặc biệt là không phá huỷ lớp phủ, nó tạo ra một garadien nhiệt trên bề mặt phân cách và cho kết quả chính xác

1.3.3 Phương pháp phun cát

Nguyên lý: Cho hạt cát kích thước xác định rơi từ độ cao h xuống bề mặt màng đặt ở góc nghiêng nhất định Sau đó đem bề mặt bị cào xước soi lên kính hiển vi quang học để đánh giá độ dính bám

Hình 1.6 Xác định độ bám dính bằng phương pháp phun cát

1.3.4 Phương pháp cà tỳ

Các phương pháp trên đều thể hiện những ưu nhược điểm của mình nhưng trong điều kiện của chúng ta thì các phương pháp trên đều rất khó thực hiện do phải sử dụng những thiết bị khá đắt Phương pháp cà tỳ là phương

pháp có thể thực hiện được, nó cũng cho chúng ta những kết quả về độ bám dính tương đối chính xác Phương pháp cà tỳ cũng dùng lực tác dụng nhằm tạo ra một diện tích màng bị mài mòn sau đó dựa vào sự mài mòn đó ta có thể đánh giá được độ bám dính

Nội dung của phương pháp cà tỳ là tạo nên một công bóc màng theo thời gian thông qua tiết diện lớp màng bị bào mòn Sử dụng mũi bằng kim loại hoặc đầu bịt nỉ, da, vải,… có đường kính đầu là d được tỳ lên bề mặt màng với áp lực P Trong quá trình đo màng vừa chịu lực ma sát vừa chịu áp lực nên màng sẽ bị bào mòn một diện tích s sau khoảng thời gian t quy chuẩn

Hình 1.7 Xác định độ bám dính bằng phương pháp cà tỳ

1.3.5 Phươn pháp rạch

Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu và trong công nghiệp để đánh giá độ bám dính Phương pháp rạch đôi khi còn biết đến như một phương pháp mũi nhọn Một vết lõm được tạo trên bề mặt lớp phủ dưới tác dụng tăng dần của lực đến khi phát hiện sự bóc tách Tải trọng tương ứng tạo nên vết lõm để đánh giá độ bền bám thường là tải trọng tới hạn

Hình 1.8 Xác định độ bám dính bằng phương pháp rạch

Ở phương pháp rạch, sau khi màng được rạch ta đưa màng đi quan sát trên kính hiển vi ta có thể xác định được độ lớn của của diện tích được rạch trên lớp phủ Phương pháp kiểm tra này dưới tác dụng của một lực xác định dựa vào chiều dày hay chiều sâu của vết rạch Đo kích thước của vết rạch để đánh giá độ bền, độ bám dính của lớp phủ Với phương pháp này thì độ bám dính có thể xác định chính xác hơn với chiều dày màng là mỏng

1.4 Vai trò của việc xác định độ dính bám của màng mỏng đối với dụng

cụ cắt

Xác định độ bám dính của lớp phủ cho ta thông số đầy đủ nhất đại diện chơ cơ tính của màng Trong quá trình sử dụng các dụng cụ cắt yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến khả năng làm việc chính là hiện tượng mòn, thông qua việc xác định độ bám dính của lớp phủ trên các loại dụng cụ cắt bằng phương pháp rạch ta có thể tiên đoán hoặc cho ta một kết quả định tính cũng như định lượng khả năng cắt của dụng cụ Để hiểu sâu hơn về vấn đề này có thể nghiên cứu một số dạng mòn cơ bản xảy ra trên các dụng cụ cắt từ đó cho ta những đánh giá tương quan việc xác định độ bám dính và khả năng chống mài mòn của lớp phủ

1.4.1 Các cơ chế mòn

Bốn cơ chế mòn chính của dụng cụ là mòn dính, mòn cào xước, mòn bóc lớp,

và mòn do không ổn định hóa học bao gồm mòn khuếch tán, mòn hòa tan và mòn điện hóa như trên hình 1.9

Hình 1.9 Các cơ chế mòn của dụng cụ

Mòn dính: Do hình thành những mối nối có tính chất hàn dính giữa phoi và bề

mặt dụng cụ và các nứt gãy của mối nối do lực trượt, làm cho các mảnh nhỏ của dụng cụ bị giật ra và dính vào phoi hoặc vào phôi Dạng mòn này thường xuất hiện ở mặt sau, khi cắt với tốc độ thấp và nhiệt độ tiếp xúc không cao lắm, cũng có thể kèm theo ô xy hóa bề mặt dụng cụ hoặc các tương tác hóa học khác với môi trường xung quanh

Mòn cào xước: Trên bề mặt dụng do các hạt cứng gây ra trong vật liệu phôi

Ảnh hưởng của mòn do mài đến mòn của dụng cụ có thể giải thích lý thuyết bằng ba mô hình cào xước là cày xước vi mô, tróc vi mô và gãy vi mô Vật liệu phôi như gang và thép, có chứa hạt của pha khác, có độ cứng lớn hơn nhiều so với phần còn lại Các hạt này thường là carbit hoặc ô xít như ôxit nhôm Al2O3, silica hoặc một số silicat, cũng có thể là các mảnh có ứng suất cao ở nhiệt độ cao, sinh ra từ lẹo dao không ổn định trên dụng cụ Trong thực

Lưỡi cắt

Phoi

mòn khuếch tán

mòn hoà tan mòn cơ điện mòn bóc lớp

mòn cào xước tiếp xúc mòn dính

dính

Phôi

tế, mòn mặt sau được quy về mòn cào xước Trong mòn cào xước, ảnh hưởng của độ cứng bề mặt dụng cụ là rất đáng kể

Mòn bóc lớp: Do biến dạng dẻo của bề mặt dẫn đến lớp dưới bề mặt gãy

thành hạt nhân, lan truyền và giải phóng các mảnh nhỏ khỏi bề mặt dụng cụ Hiện tượng này quan sát được ở tốc độ cắt cao, dụng cụ bị mềm hóa do nhiệt

độ cao của quá trình gia công

Mòn do không ổn định hóa học: rất quan trọng trong cắt gọt vì nhiệt độ cao

trên bề mặt tiếp xúc bao gồm mòn khuếch tán, mòn hòa tan và mòn điện hóa Vật liệu hòa tan có thể bị dời đi do khuếch tán khỏi mặt phân cách, hoặc đối lưu do vật liệu phoi chảy trên mặt phân cách, hoặc do các hạt mòn bị mất đi

do bóc lớp, hoặc do sự phá hủy bề mặt ngay dưới lớp hoà tan

Mòn khuếch tán: Đặc trưng bởi lượng vật liệu mất đi do khuếch tán của các

nguyên tử vật liệu dụng cụ vào vật liệu phôi Điều kiện cần đối với mòn khuếch tán là mối liên kết luyện kim của hai bề mặt đạt tới mức các nguyên tử

có thể chuyển động tự do qua mặt phân cách và nhiệt độ đủ cao để khuếch tán xảy ra nhanh ở pha nào đó khi vật liệu dụng cụ hòa tan vào vật liệu phôi Nhiệt độ và tốc độ di dời của lớp liền kề với bề mặt là hai thông số chính ảnh hưởng đến mòn khuếch tán

Kramer đưa ra lý thuyết cho rằng tốc độ mòn được điều khiển bởi tốc độ khuếch tán khối lượng Tuy nhiên mòn khuếch tán trên mặt phụ (mặt tái tạo) của dụng cụ, phản ứng hóa học xảy ra trên mặt phân cách ảnh hưởng chính đến mòn Họ cũng thấy rằng ô xy tăng tốc độ hình thành các lớp ôxít liên tục

bị xé rách làm tăng mòn, trong khi mòn giảm đi trong môi trường khí argon

Mòn hòa tan: Mô tả cơ chế mòn xảy ra khi tốc độ mòn phụ thuộc vào tốc độ

hòa tan nhiều hơn di dời đối lưu

Mòn điện hóa: do sức điện động nhiệt điện sinh ra tại chỗ tiếp giáp phoi-dụng

cụ và tạo thành dòng điện trong mạch Cơ chế này có thể phá hủy vật liệu dụng cụ và gộp bề mặt dụng cụ vào mặt phân cách dụng cụ-phoi Dòng nhiệt điện hình thành trên tiếp xúc phoi-mũi cắt và tại tiếp xúc mặt sau-phôi Cường

độ của dòng nhiệt điện này khoảng 5A khi dụng cụ phân cực âm Với vật liệu phôi cho trước, mòn cào xước xấp xỉ như nhau ở tất cả các điều kiện cắt, trong khi mòn dính xuất hiện chủ yếu ở nhiệt độ cắt thấp, tương ứng với tốc

độ cắt thấp Mòn do không ổn định hóa học, bao gồm các ảnh hưởng như khuyếch tán và ô xy hóa xuất hiện ở nhiệt độ cắt cao, như trên hình 1.10

Hình 1.10 Sơ đồ cơ chế mòn dụng cụ xuất hiện ở các nhiệt độ cắt khác nhau

Mòn ở lưỡi cắt trước của mặt sau dụng cụ và mòn mặt trước như trên hình

1.11a, là các dạng mòn thông thường nhất của dụng cụ trong khi cắt gọt

Mòn mặt sau: Mòn mặt sau chủ yếu gây ra do dụng cụ bị các hạt cứng mài

mòn nhưng cũng có thể đi kèm với mòn dính Mòn mặt sau cũng chính là mô hình mòn chiếm ưu thế ở tốc độ cắt thấp Quy hoạch dữ liệu mòn mặt sau của dao tiện HSS là hàm số của vận tốc cắt và lượng tiến dao, thấy rằng bằng cách chọn các thông số cắt thích hợp sẽ tìm được vùng mòn thấp

Mòn mặt trước: tạo thành rãnh hoặc thành hố trên mặt dụng cụ, cách lưỡi cắt

khoảng 0,2 đến 0,5 mm tại nơi phôi chuyển động trên bề mặt dụng cụ (hình 1.11b) Mòn mặt trước quan sát được khi cắt kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao như thép, cắt ở tốc độ tương đối cao Mòn mặt trước xảy ra do hòa tan vật liệu dụng cụ, mòn khuyếch tán

cào xước khuếch tán

ô xi hóa dính

Nhiệt độ

Hai cơ chế khác làm hỏng dụng cụ, mà không phải là do mòn đó là mỏi và biến dạng đàn hồi của lưỡi cắt Do độ cứng cao và tính giòn cũng như độ sắc của lưỡi cắt, hiện tượng mỏi thường xuất hiện; áp lực cao và nhiệt độ gần lưỡi cắt có thể gây ra biến dạng dẻo và bắt đầu quá trình mòn

Hình 1.11 Các dạng mòn dẫn đến phá hỏng dụng cụ và lẹo dao

Lẹo dao: dồn vật liệu phôi đến gần đỉnh của lưỡi cắt thường xảy ra ở tốc độ

cắt trung bình như thấy trên hình 1.11a Do lớp đầu tiên của vật liệu phôi dính vào đỉnh của dụng cụ có sức bền đáng kể Do ứng suất kéo, hiện tượng chảy

sẽ xuất hiện trong những lớp ít bị kéo hơn kể từ bề mặt của dụng cụ Quá trình này lặp lại làm tích tụ vật liệu và hình thành các lớp tương đối lớn vật liệu phôi cứng và tạo thành lẹo dao Lẹo dao thường không ổn định, gãy ngay và lập tức hình thành trở lại Phụ thuộc vào vật liệu và điều kiện cắt, ảnh hưởng của lẹo dao có thể làm tăng hoặc giảm tuổi bền của dụng cụ Lẹo dao ổn định

có thể làm tăng khả năng chống mòn cho dụng cụ Mặt bất lợi là các mảnh vỡ của lẹo dao có độ cứng khá cao có thể dính vào phoi hoặc phôi và gây ra mòn cào xước trên dụng cụ Ở tốc độ cắt cao hơn, ít khi hình thành lẹo dao vì nhiệt

độ tăng nên lẹo dao không còn làm tăng sức căng của dụng cụ nữa và sẽ bị phoi kéo đi

dụng cụ phoi

mòn mặt trước

mòn mặt sau

mòn mặt sau lẹo dao

Chi tiết

rãnh trên mặt sau phụ

rãnh trên mặt trước phụ mòn mặt trước

Như vậy để có được các ưu điểm trên lớp phủ phải có các tính chất: Có độ dính bám thấp lên vật liệu chi tiết máy nhưng lại phải có độ dính bám cao lên

bề mặt dụng cụ, chống mòn cào xước tốt, có độ dai và độ bền hóa học tốt Các lớp phủ mỏng carbit hoặc nitrit thỏa mãn tốt những đòi hỏi trên Các lớp phủ này có chiều dày nhỏ cho nên có tính đàn hồi cao, rất cần thiết để hấp thụ các va chạm và các ứng suất cao của lưỡi dao Đồng thời các lớp phủ cũng ảnh hưởng đến các thông số cắt cơ bản như dòng phoi, dạng phoi, nhiệt độ lưỡi cắt và khoảng làm việc tối ưu Như vậy khi tính toán dụng cụ cần phải tối

ưu lại và lưu ý đến các yếu tố góc trước, góc sau, chất lượng thép, độ cứng, độ nhám

Lớp phủ đem lại cho dụng cụ khả năng ma sát học ưu việt hơn, do đó:

- Giá thành giảm do làm tăng tuổi bền cho dụng cụ

- Giá thành giảm do giảm thời gian chết của máy

- Tăng năng suất vì vận tốc cắt có thể tăng do ma sát nhỏ hơn, cũng vì vậy mà giảm năng lượng tiêu hao của máy

- Cải thiện chất lượng chi tiết ở chỗ bề mặt gia công có chất lượng cao hơn do cải thiện bôi trơn cũng như các yếu tố khác như độ chính xác kích thước trong khi cắt

Vật liệu nền

Thép gió thường được dùng làm vật liệu nền cho các lớp phủ mỏng chế tạo

bằng phương pháp vật lý Các loại hợp kim bột thiêu kết cũng được sử dụng

vì phân bố các bít của chúng đảm bảo chất lượng phù hợp và thậm chí có thể tăng độ dính bám do mạng các bít và TiN phù hợp tốt với nhau

Các cơ chế mòn

Phụ thuộc vào điều kiện cắt mà một hoặc một vài cơ chế mòn như trên hình 1.9 sẽ chiếm ưu thế trong quá trình mòn và như vậy sẽ giới hạn tuổi bền của dụng cụ Nếu mòn cào xước chiếm ưu thế, độ cứng của lớp phủ sẽ đóng vai trò quan trọng Nếu mòn không ổn định hóa học chiếm ưu thế thì tính cách ly khỏi khuếch tán hoặc tính hòa tan thấp của lớp phủ lại đóng vai trò quan trọng

Quá trình gãy và phá hủy lớp phủ xảy ra nếu lớp phủ quá cứng và quá dày so với độ đàn hồi của nền hoặc nếu nền bên dưới lớp phủ bị mềm hóa do nhiệt

độ cao Uốn sinh ra ứng suất cao bên trong lớp phủ có thể dẫn đến gãy Cơ chế này là nguyên nhân phá hủy các lớp phủ carbit và nitrit trên dụng cụ cắt nền thép gió như minh họa trên hình 1.12 Kết quả này tương tự như kết quả

do Hedenqvist tìm được khi mô tả chi tiết 12 cơ chế khác nhau dẫn đến gãy lớp phủ và bị phá hủy một phần do biến dạng của nền

Hình 1.12 Sơ đồ quá trình mòn của lớp phủ ở: a) Giai đoạn ban đầu; b) Giai đoạn đế bị mềm và lớp phủ gãy; c) Giai đoạn phá hủy

Quan sát đối với lớp phủ cácbít và nitrit trên nền dụng cụ cắt bằng thép gió khi cắt thép 1045, không có dung dịch trơn nguội, tốc độ bề mặt 100m phút

Như vậy, các dạng mòn và phá huỷ do mòn có tính chất tương tự như việc phá huỷ bóc tách lớp phử sử dụng phương pháp rạch đánh gía độ bám dính, điều đó cho ta kết luận việc xác định độ bám dính có thể dự đoán trước được tuổi thọ của dụng cụ cắt

CHƯƠNG II ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN CỦA LỚP PHỦ BẰNG PHƯƠNG PHÁP RẠCH

chi tiết

Lớp phủ

bị gãy lớp phủ

Mảnh dao

có phủ

Nền dụng cụ Phoi-dụng cụ

Phoi-dụng cụ

Phoi-dụng cụ

Nền bị mềm

Nền bị mềm

2.1 Tổng quan phương pháp rạch

Phương pháp rạch là phương pháp dùng một mũi nhọn rạch lên bề mặt màng cần xác định độ bám dính, vết rạch được tạo trên bề mặt lớp phủ dưới tác dụng tăng dần của lực đến khi phát hiện sự bóc tách Việc xác định sự bóc tách có thể dựa vào việc quan sát trên các kính hiển vi hoặc thông qua các tín

hiệu đo thông qua việc xác định siêu âm hoặc lực ma sát trên mũi rạch

2.1.1 Lịch sử phát triển và ứng dụng của thiết bị rạch trong công nghiệp màng mỏng

Phương pháp rạch lần đầu tiên sử dụng để nghiên cứu độ dính bám của các loại màng mỏng chế tạo các chi tiết quang như lớp phủ kim loại trên bề mặt đế thuỷ tinh, kim loại (màng quang học) Nhà khoa học Mathews (1974)

đã sử dụng phương pháp rạch để đánh giá độ bám dính của lớp phủ bạc trên thép hoặc đồng Trong thí nghiệm này ông đã sử dụng cả hai loại mũi rạch là mũi rạch bán cầu và mũi rạch hình chóp Hiện nay các mũi rạch nhọn bán kính 0.2 mm được sử dụng rộng rãi hơn cả

Ở phương pháp rạch, trong quá trình rạch ta biết được lực tác dụng lên mũi rạch theo hai phương đồng thời xác định được vị trí cũng như sự phá vỡ lớp phủ trên bề mặt đế hay nói cách khác là xác định được mặt phân cách và phá huỷ xung quanh nó Sau khi màng được rạch ta đưa màng đi quan sát trên kính hiển vi xác định được các thông số hình học của vết rạch, dựa vào lý thuyết phương pháp rạch mà ta có thể biết được độ bám dính của màng mỏng

đó đạt bao nhiêu Phương pháp này có thể cho ta thông số định tính như so sánh các mẫu với nhau hoạc thông số định lượng khi thiết bị được chuẩn hoá theo tiêu chuẩn

Thiết bị rạch được hai nhà khoa học Allan Hmoyse và Hung- jue su đăng kí phát minh ngày 4 tháng 12 năm 2007 mã số US 7302831 B2 Thiết bị được mô tả như hình 2.1 đầu mũi rạch 15 dưới tác dụng của lực tác dụng theo

phương 45 sẽ tạo vết rạch lên mẫu rạch 25 Mũi rạch đồng thời chuyển động theo hai phương 45 và 40 Hệ thống đầu rạch có thể dịch chuyển trên hệ thống dẫn hướng tạo chuyển động gồm các trục dẫn 65 và vitme bi 70

Hình 2.1 Nguyên lý thiết bị rạch và biểu đồ thể hiện thông số thu được khi

rạch của thiết bị được đăng kí phát minh

Việc kiểm tra chịu ảnh hưởng của một số yếu tố bên trong và một số tác động của ngoại cảnh, nó không liên quan đến độ bám dính và kết quả của cuộc kiểm tra thường được coi là chỉ số bán định lượng Xung quanh trạng thái gây ứng suất vết rạch di chuyển trên bề mặt phủ/hệ thống lớp nền rất phức tạp và đó là khó khăn để xác định những ứng suất làm bong lớp nền Hơn nữa, sự tin cậy về mức độ phá hỏng của các trạng thái khuyết tật tại mặt phân cách chưa thể xác định Tuy nhiên, trong quá trình phân tích chi tiết các cách thức quan sát sự phá hỏng trong phương pháp rạch (không phải tất cả đều có liên quan đến độ bám dính), nó có thể đồng nhất hóa sự phá hỏng tính dính kết và trong một số trường hợp xuất hiện vùng có trạng thái ứng suất là tương đối đơn giản và có thể định lượng

2.1.2 Một số thông số của thiết bị rạch hiện đang sử dụng trên thế giới

C

Hình 2.2 Thiết bị rạch của hãng CSM

Hình 2.3 Thiết bị rạch và giao diện phần mềm của hãng Tribo technic.

1stEST Hình 2.4 Thông số thiết bị rạch của hãng CSM

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến vết rạch các chỉ tiêu đánh giá liên quan 2.2.1 Điều kiện cần thiết để định lượng thí nghiệm rạch

Nếu thí nghiêm rạch được định lượng đầy đủ thì phải cung cấp cho nó một tham số biểu diễn trạng thái bám dính của mặt phân giới, nhưng không liên quan tới các đặc tính của bề mặt lớp phủ/các hệ thống lớp nền cứng Các

tham số tốt nhất là công của lực bám dính điều đó là tiêu chuẩn để đánh giá liên kết hóa học trên mặt phân giới Tuy nhiên, hầu hết các thí nghiệm đo độ bám dính không đo lường độ bám dính cơ bản, nhưng đem lại tiêu chuẩn đánh giá độ bám dính thực tế đúc kết thành cơ sở bám dính với các yếu tố khác có thể đặc trưng cho một liên kết vật liệu xác định hoặc phương pháp kiểm tra

Độ bám dính màng mỏng thường được đặc trưng cho các năng lượng ứng suất (ứng lực, biến dạng) cho mỗi đơn vị đã được giải phóng gia tăng trong khu vực phân lớp, đôi khi điều đó được gọi tắt là năng lượng rạn, nứt (làm nứt) bề mặt chung và có thể được sử dụng để tạo ra một độ bền chống gãy bề mặt phân giới

Các thí nghiệm rạch này thường chỉ được xem như bán định lượng, có một số các tham số thuộc bản chất bên trong và bên ngoài được xem là ảnh hưởng đến việc đo lường tải trọng (áp lực) tới hạn Nhiều yếu tố thuộc bản chất là thiết bị đo lường đặc trưng và yêu cầu sự căn chỉnh, điều chỉnh cẩn thận gần như nếu các kết quả sẽ được so sánh giữa các công cụ Tuy nhiên, các yếu tố ngoại lại (thuộc bản chất bên ngoài) như độ dày lớp phủ bề mặt và lớp nền cứng cũng phải được biết nếu kết quả thí nghiệm được hiểu rõ Những thông số, cùng với những ứng suất trong lớp phủ bề mặt và các môđun (tỷ lệ, độ cứng) Young, là một điều kiện cần thiết quan trọng đối với các mô hình của các chế độ không được sử dụng để tạo ra độ bền chống phá hủy bề mặt Như vậy có bốn yêu cầu cho một số định lượng thí nghiệm bám dính:

1- Chế độ phá hủy có liên quan đến độ bám dính

2- Định nghĩa rõ ràng về cơ chế phá hủy

3- Một phương pháp để nhận biết rằng sự phá hủy độ bám dính đã xảy ra, nó nằm ở đâu và kích thước của sự phá hủy,

4- Một phương pháp xác định những ứng suất,nguyên nhân gây ra

sự phá hủy

Điều đó sẽ được đề cập chi tiết hơn trong những phần sau

2.2.2 Các cơ chế phá huỷ trong thí nghiệm rạch

2.2.2.1.Các bề mặt lớp phủ mềm

Nói chung bề mặt lớp phủ mềm (với độ cứng <5GPa) hỏng bởi sự biến dạng của chất dẻo cho dù kết tủa trên lớp nền cứng hay mềm Biến dạng bề mặt lớp phủ với một vi cấu tạo xốp (ví dụ như cấu trúc trụ mở được chế tạo bằng việc lắng đọng hơi nước ở nhiệt độ thấp) cũng có thể hiển thị một số bằng chứng về việc phá hủy, nhưng không rõ ràng Trong những trường hợp bóc tách hay tróc bề mặt của bề mặt lớp phủ có thể xảy ra nếu độ bám dính là rất kém nhưng thường xuyên ta có thể quan sát được một ít

Khi một bề mặt lớp phủ mềm đã kết tủa trên nhiều lớp nền (đế) cứng, chẳng hạn như nhôm hay vàng trên thủy tinh, những phát hiện sự phá hủy bề mặt chung (mặt phân giới) sẽ trở nên rất dễ dàng Khi tải (áp lực) được tăng thêm trên bề mặt lớp phủ mềm trong những thí nghiệm rạch biến dạng dẻo tăng lên cho đến khi lực tới hạn trên lớp nền bị tách ra Điều này có thể được phát hiện bởi sự thay đổi màu sắc hay bởi việc sử dụng các bề mặt vật lý (phân tích) kỹ thuật như: Quang phổ học quang điện tử tia X, tia rơn-ghen (XPS) có bề mặt chính xác Tuy nhiên, phân tích XPS không phải lúc nào cũng thành công vì sự phá hủy không xảy ra chính xác trên bề mặt chung - trong những trường hợp ánh xạ của tia X hay hình ảnh bị ánh xạ ngược trong SEM có thể được sử dụng để xác định một lực tới hạn, nhưng nó không đặc trưng cho lực bóc tách bề mặt

Hình 2.5.Vết rạch lớp phủ mềm được quan sát trên thiết bị SEM

Một phương pháp thay thế để phát hiện sự xuất hiện của lớp nền là để phân tích sự phát triển các quỹ đạo lực ma sát trong thời gian thí nghiệm rạch

Trong trường hợp gia tăng hệ số ma sát bề mặt lớp phủ nhôm trên thép không

Các thực nghiệm gần đây ở định lượng thí nghiệm rạch của Benjamin

và Weaver có thể áp dụng nhiều nhất cho bề mặt lớp phủ mỏng là biến dạng dẻo trong các thí nghiệm rạch Theo các tác giải này, lực cắt tới hạn cho việc

di chuyển (loại bỏ) bề mặt lớp phủ τ là một chức năng của dạng hình học vết rạch, đặc tính của lớp nề và các lực ma sát trên đầu rạch Vì vậy, cho một đầu rạch của bán kính R thì:

Đối với các lớp phủ bề mặt polyme mềm trên lớp nền kim loại cứng, ứng suất trượt trên lớp phủ bề mặt trong thí nghiệm rạch có thể dẫn tới khu vực phân lớp mở rộng phía trước của đầu rạch Trong những trường hợp như vậy một mô hình cơ khí phá hủy giòn đã được phát triển để đánh giá dựa trên

độ bám dính cơ sở trên ứng suất giả thuyết xung quanh khu vực vết rạch di chuyển có thể được cung cấp bởi giải pháp Boussinesq Đây rõ ràng không phải là một giải pháp hoàn chỉnh như nó không giải quyết với đàn hồi phản xạ tại bề mặt lớp nền và lớp phủ bề mặt, nhưng phát sinh năng lượng gây biến dạng có thể được so sánh với gì thu được từ những các phương pháp thí nghiệm độ bám dính khác nhau Tuy nhiên, phương pháp đòi hỏi các kiến thức về khu vực và hình dạng hình học của sự phân lớp, điều đó không phải lúc nào cũng dễ dàng để xác định nếu lớp phủ bề mặt không trong suốt và cùng một cơ chế phá hủy không thường xuyên quan sát từ các hệ thống lớp phủ bề mặt khác Vì lý do này, các mô hình không được áp dụng rộng rãi

Nói chung chỉ duy nhất đo lường bán định lượng độ bám dính của lớp phủ bề mặt mềm có thể được thực hiện bằng cách thí nghiêm rạch và thay thế các phương pháp kiểm tra độ bám dính được ưa thích (ví dụ như các bài kiểm tra sự căng giãn và bóc tách vỏ, các bài kiểm tra sự bong tróc, các bài kiểm tra superlayer) Từ lớp phủ bề mặt mềm thường (hầu hết) dễ dát, dẻo/dễ uốn và

có thể kiểm tương đối dễ dàng bằng các dụng cụ đơn giản

2.2.2.2 Lớp phủ cứng bề mặt

Những tư liệu về thuộc tính của lớp phủ cứng bề mặt có liên hệ tới vật liệu lớp phủ bề mặt với độ cứng lớn hơn 5Gpa Cơ chế phá hủy có thể tạo vết nứt rộng liên quan tới các hạng mục sau:

Thông qua độ dày vết nứt-bao gồm các vết nứt bền kéo ẩn sau vết lõm, cấu trúc của vết nứt như lớp phủ là đường cong có liên quan tới quỹ đạo/rãnh rạch và sự rạn nứt điện từ Những vết nứt cho phép kéo dài/phát triển vào trong lớp nền nếu nó dễ gãy.giòn nhưng nó thường dừng lại tại mặt phân giới trong một bề mặt lớp phủ cứng trên lớp nền mềm

Bóc tách lớp phủ- bao gồm lực nén làm nổ vụn phía trước của vết lõm,độ uốn/sự cong vênh làm nổ vụn phía trước của vết lõm hoặc khôi phục đàn hồi-bao gồm sự nổ vụn sau vết lõm

Sự trầy xước trong lớp phủ- thường được quan sát từ độ dày các lớp phủ trên một lớp nền mềm Thí nghiệm rạch không thể đo thực tế độ bám dính của các lớp phủ có độ dày lớn hơn 50 µm trong các mẫu tiêu chuẩn của

nó vì nó không thể phát sinh các ứng suất có độ lớn thích hợp trên mặt phân giới trước khi xảy ra trầy xước của lớp phủ

Sự trầy xước trong lớp nền – từ lớp phủ giòn trên các lớp nền giòn có độ bám dính tốt,các xu hướng vận hành của hệ thống trong cùng cách thức giống như một dung tích vật liệu giòn trừ khi lớp phủ có độ dày trầy xước thích hợp của lớp nền sẽ xảy ra

Các kiếu phá hủy mà có thể quan sát được từ một lớp phủ xác định (đang xét)/hệ thống lớp nền phụ thuộc trên lực thí nghiệm, các bán kính vết lõm, các độ dày lớp phủ, ứng suất dư trong lớp phủ và độ cứng lớp nền và độ bám dính mặt phân giới Nhìn chung, lực tới hạn trên một dạng phá hủy xảy

ra đầu tiên hoặc thường xuyên xảy ra dọc theo quỹ đạo (rãnh), là sử dụng các đánh giá về lớp phủ mặc dù đó là hàm suy rộng của các vết nứt và sự phá hủy

từ đó trong hầu hết các trường hợp So sánh giữa các lớp phủ khác nhau chỉ duy nhất có hiệu lực nếu cơ chế phá hỏng cùng với các yêu cầu về đồ gá trong việc thừa nhận kiểm tra các nhân tố vi mô

Uốn/sự cong vênh và sự nổ vụn là cơ sở của thí nghiệm rạch về độ bám dính từ lớp phủ cứng

2.2.3.Cơ chế phá hủy có liên quan tới độ bám dính từ lớp phủ cứng

2.2.3.1 Độ uốn/độ nhám

Phương pháp phá hủy này hầu như có chất lượng kém vì lớp phủ mỏng (độ dày điển hình <10µm) nó có khả năng bị uốn cong trong đường đặc trưng ứng suất tác dụng Lớp phủ có độ dày lớn hơn giới hạn này sẽ dẫn tới việc chỉ

ra qua độ dày vết nứt tại ứng suất nhỏ hơn các điều kiện cần thiết kia, nguyên nhân là do độ nhám và sẽ phá hỏng bởi sự nổ vụn Sự phá hủy (vết nứt) xảy ra trong đường đặc trưng bởi ứng suất của lực nén được phát sinh phía trước vết lõm di chuyển (hình dưới)

Hình 2.7 Sự phá hủy do ứng suất của lực nén

Các khu vực xác định chứa mặt phân giới, các khuyết tật định kỳ lớp phủ do sự cong vênh/biến dạng (vết ấn lõm) trong đường đặc trưng từ các ứng suất vá các biến dạng (cong vênh) riêng rẽ sẽ lan rộng khoảng cách của vết nứt mặt phân giới theo phương ngang ngay lập tức Sự nổ vụn xảy ra khi qua hình dáng độ dày các vết nứt trong miền ứng suất kéo cao trong lớp phủ Một vết ấn lõm đã xảy ra khi đầu rạch vượt qua miền phá hỏng lớp phủ do nghiền

vỡ vào trong lớp nền của quỹ đạo (rãnh) rạch trong lớp nền Sự dịch chuyển lớp phủ có thể được tăng cường vào thời điểm này hay sự phá hủy làm biến

mất hoàn toàn tùy thuộc vào kích cỡ và độ bền lớp phủ Đặc trưng của các dạng phá hủy do sự cong vênh hay độ nhám thường xuất hiện như là các quỹ đạo cong hoặc mở rộng sự phá hủy màng theo đường biên hoặc miền lân cận của quỹ đạo rạch Họ thường phác thảo từng phân đoạn (phân mảnh) theo số lượng lớn lớp phủ và có các hình chiếu bằng trực giao vết nứt chính cho mặt phân giới lớp nền/lớp phủ Trong hầu hết trường hợp dạng cong vênh (biến dạng) trong khu vực phía trước sự tích tụ chất dẻo của các vết lõm di trượt

Hình 2.8.Dạng vết rạch trên lớp phủ cứng

Kích cỡ của biến dạng điển hình thường nhỏ hơn hoặc bằng độ lớn của

sự tích tụ Điều này có nghĩa là các quá trình tích tụ điều khiển các chế độ phá hủy biến dạng đến một mức độ rất lớn Ứng suất uốn tới hạn σb xác định bởi công thức :

2 2

1.22.

1

c b

c

E t R

σ

ν ⎛ ⎞

− ⎝ ⎠ (2.2)

trong đó E c và c là suất Young và suất (hệ số) Poisson của lớp phủ, t là

độ dày lớp phủ và R là bán kính của các khu vực biến dạng (vùng lõm) Điều này dự báo rằng các ứng suất uốn tới hạn gia tăng với độ dày lớp phủ phần

lớn là quan sát được Tuy nhiên, giả thiết phương trình này có mặt phân giới

là mặt phẳng ngang không phải lúc nào cũng đúng cho mọi trường hợp Để có một mặt phân giới cong, Strawbridgeetal đã chỉ ra rằng một ứng suất kéo σt,

là phát sinh thông thường để tạo ra các mặt phân giới của các hoạt động của các ứng suất trong mặt phẳng lớp nền σ0, và độ lớn của các ứng suất này tại mặt phân giới xác định bởi:

0

t

i

t R

σ = σ (2.3) Với Ri là bán kính cong của mặt phân giới cong và t là độ dày lớp phủ Trong thí nghiệm rạch ứng suất tác dụng (tức là tổng của bất kỳ ứng suất dư

và những ứng suất được đưa ra của các đầu rạch) σ0 xác định và, trong trường hợp một lớp phủ bị uốn cong qua sự tích tụ phía trước vết lõm (rãnh) trượt,

Sự phá hủy uốn theo chiều trục đã được quan sát xung quanh vết lõm tĩnh và các vết rạch trong lớp phủ cứng trên lớp nền cứng đã tạo ra các vết lõm được mài mặt (ví dụ của một mũi Berkovich được sử dụng trong thí nghiệm về công nghệ nano) Trong những trường hợp như vậy các bóc tách

do sự cong vênh thường xuyên bị chặn bởi các vết nứt xuyên tâm (bán kính)

và biến dạng chất dẻo trong các lớp nền bị giới hạn Quá trình này có thể được phân tích dựa trên các mô hình đề nghị của Thouless trong đó giả định rằng: (i) lực trong mặt phẳng trên các bộ phận phân lớp do các vết lõm gây ra tăng trưởng khu vực phân lớp, và (ii) Các hạt vụn lớp phủ tại thời điểm xuất

hiện sự cong vênh của các bộ phận do trong cùng một lực phẳng

Theo den Toonderetal năng lượng phá hủy mặt phân giới có thể được tính bằng cách sử dụng:

Hình 2.9 Xác định L và β của các phoi dạng tấm

Giá trị hợp lý của độ bền mặt phân giới từ các màng cứng trên silicon, thủy tinh và các lớp nền cứng tạo nên phương trình (4) Cách tiếp cận này có thể được áp dụng để tạo liên kết cho các vết nứt với một trong hai mặt phân giới tĩnh hoặc các vết rạch nhưng năng lượng phá hủy thường là khác nhau trong hai trường hợp, trong đó có nghĩa rằng có sự đóng góp của ma sát vào

sự phá hủy trong các thí nghiệm rạch mà chưa được xem xét

2.2.3.2.Phá vỡ mũi rạch

Đối với độ dày (> 10 µm) các lớp phủ có độ uốn nhỏ hơn mức độ thông

thường chế độ phá hủy độ uốn (sự cong vênh) không quan sát được Trong thực tế, các lớp phủ có thể xóa bỏ việc hình thành một định nghĩa hẹp khu vực tích tụ.ứng suất phía trước của các mặt phân giới ít phức tạp

Sự phá hủy độ bám dính ngay lúc này xảy ra bởi một cơ chế khác nhau

Hình 2.10.Mũi rạch bị phá vỡ do hiện tượng chêm khi rạch

Ban đầu lực nén di trượt một số hình thức của các vết rạn nứt một số khoảng cách phía trước thông qua độ dày của lớp phủ Những lan truyền vào lớp nền và lớp phủ và nói chung các mặt phẳng nghiêng có thể đóng vai trò như một các chêm Tiếp tục di động chuyển tiếp của các dẫn động (truyền động) mặt phân giới lên lớp phủ chêm gây ra một vết rạch lan truyền trên mặt phân giới Như là mức độ của việc gia tăng phá hủy mặt phân giới ,chêm nâng lớp phủ thêm xa lớp nền tạo ra ứng suất uốn trong nó Các chuyển vị đủ lớn sẽ gây ra một khu vực phía trước của vết lõm đã bị bóc tách trong đường đặc trưng để tạo được các ứng suất uốn chịu kéo Khi điều này xảy ra, các đầu rạch kim cương có thể thả vào các lỗ còn lại do loại bỏ các lớp phủ

Chiều rộng và chiều sâu vết rạch tăng lên mạnh mẽ Sự tích tụ sẽ thường xuyên nhìn thấy bên ngoài cho đến khi để lại vết (quỹ đạo) rạch các đầu rạch được nâng lên cao so với chêm và ra khỏi lỗ Các cơ chế phá hủy mũi rạch phụ thuộc vào hai quá trình riêng biệt đang xảy ra như hình 2.10

Đầu tiên là một vết rạch nứt di trượt do lực nén phải biết được hình dạng và lúc đó mới xảy ra bóc tách mặt phân giới Các ứng suất lưỡng cực cần thiết để gây ra nứt chêm σw, xác định bởi:

1 2 w

4 1

1 2

(2.6) Như phương trình (2.6) có 1/t phụ thuộc lực tới hạn từ sự phá vỡ

chêm dự kiến sẽ giảm số gia độ dày lớp phủ Không có các yêu cầu chính xác rằng vết nứt lan truyền dọc theo mặt phân giới trong phân tích này, mặc dù đó chỉ là trường hợp nếu độ bám dính yếu và các mặt phân giới là đủ hai chiều

2.2.4.Ứng suất gây ra sự phá hủy

Các ứng suất xung quanh một vết lõm di trượt ngang qua một lớp phủ /

hệ thống lớp nền rất phức tạp và không phân tích mô hình tồn tại trong đó mô