何烜坤,王金钢

中国电子科技集团公司第四十六研究所质检中心，天津 300220

显微硬度计测试NiTi SMA薄膜与PZT基体结合力的分析

何烜坤,王金钢

中国电子科技集团公司第四十六研究所质检中心，天津 300220

通过磁控溅射在锆钛酸铅陶瓷(PZT)基体表面沉积一定面积的NiTi SMA薄膜，用显微硬度测试分析薄膜与PZT基体间的结合力.结果表明：随沉积膜宽度增加，NiTi SMA薄膜与PZT基体的结合力减小；膜宽L<3mm的NiTi SMA薄膜，其膜基结合力最高达351 N/mm2，比膜宽L≥3mm的结合力高2倍多.

维氏硬度；NiTi SMA薄膜；PZT基体;结合力

陶瓷材料大部分是由离子键组成的晶体，在微观结构中包含着相当数量、大小各异的微观缺陷.例如：在陶瓷的制备过程中，各种夹杂物、晶粒结构均匀性以及气孔等缺陷，都会在一定程度上影响材料的力学性能，导致其塑性、韧性比金属材料低.锆钛酸铅陶瓷(简称PZT)在室温下拉伸或弯曲都呈现出一种脆性断裂.在断裂前，PZT的各类缺陷形成对应的裂纹源，同时顺着此细微裂缝持续延伸，在达到临界点时，便会产生瞬时脆断.但这个过程并不存在任何征兆，所以其断裂通常属于灾难性的，这也是PZT在工程实践中最为关注的显著缺陷.为达到PZT陶瓷增韧的效果，和韧性较好的金属进行复合处理，成为目前研究的焦点.但并不是各种金属都能够和PZT进行复合，实际的复合状况在相当程度上受限于金属层与PZT之间的结合力，其实际数值越高，进行复合的几率也就随之提升.因此，对金属材料与PZT基体之间结合力大小的测定分析直接影响了材料复合性[1].

1 试样制备原理和方法

1．1 试样制备及其原理

表1列出了通过磁控溅射制备的几类较为常见的金属材料薄膜电极与PZT的结合力[2-6].由表1可知，结合力依Ag，Cu，Ti，Ni由小到大.在具有钙钛矿结构的压电陶瓷中，氧和晶胞之间的结合并不稳定，氧很容易从晶胞中逸出[7].从热力学角度分析，氧化镍的自由能比氧化铜和氧化银的自由能低[8]，所以与Ag和Cu相比，Ni更容易和陶瓷表层的氧结合，形成共价键.由表1可知， NiTi形状记忆合金是一种可以与PZT复合的最理想的合金.

实验中利用具有平行排列条形型腔通孔的模板将PZT基体紧紧包覆，模板的型孔部位暴露出PZT基体表面，通过调节孔宽与孔间距来达到控制薄膜沉积面积的目的，以便在后续磁控溅射的过程中在PZT上沉积出非连续的NiTi SMA薄膜.在靶材温度较低的条件下溅射薄膜试样，然后将试样置于管式炉中，在氩气保护下进行加热，升温至600 ℃，保温30 min，再随炉冷却至室温，所制备的试样条宽为1，2，3，5 mm.

表1 不同金属电极与陶瓷的结合力

Table 1 The bonding force between ceramics and various metal electrodes

金属电极NiTiCuAg结合力/MPa3.42.72.42.1

1.2 测试方法

将制备好的试样用压痕法计算多种条宽NiTi SMA薄膜和基体的结合强度[9].利用数显显微硬度计，在一定范围内持续增加载荷，使压头在涂层表层出现压痕.测试中加载依次为3 N和5 N，加载时间均保持10 s.在金相显微镜下观察，随载荷的增加，压痕的直径增长.当载荷超出临界载荷时，压痕周边出现放射状环形裂纹，且环形裂纹直径随着载荷的增加而增大.测试中记录载荷、压痕直径、裂纹等信息，以判定薄膜与基体的实际结合力.

在载荷的垂直作用下，硬度计的金刚石压头压

在NiTi薄膜表面，随压力的延续，压头进入基体.当压力达到一定程度时，出现薄膜开裂以及脱落.测量压痕的内径a以及薄膜脱落的外径b.仔细观察薄膜脱落的状况，以判断薄膜与基体的结合状况.

2 试验结果与讨论

2．1 NiTi SMA薄膜的压痕形貌

图1为不同尺寸的薄膜试样分别在加载为3 N和5 N时的压痕形貌.对于条宽为1 mm和2 mm的试样，当加载为3N时，压痕不明显.说明加载3 N时，薄膜不存在脱落的问题；当加载为5 N时，图1 (a)与(b)显示，出现明显的压痕，周边存在由开裂造成的圆形脱落区域，说明薄膜已经拱起，慢慢地与基体分离.对条宽3 mm的试样，当加载荷3N时，图1(c)显示压痕周边存在不明显的圆形脱落区；当载荷提高至5 N时，出现明显的脱落.对条宽5 mm的试样，当载荷3 N时，不存在脱落现象；当载荷提高至5 N时，图1(d)显示压痕周边存在明显的脱落，薄膜拱起并逐渐与基体分离.

图 1 不同尺寸下NiTi SMA薄膜表面的压痕形貌(a)条宽1mm；(b)条宽2mm；(c)条宽3mm；(d)条宽5mmFig.1 Indentation morphology of the NiTi SMA films on different sizes

2.2 薄膜与PZT基体的结合力

利用膜基结合力的计算公式(1)～(3)，可计算出载荷为5 N、加载10 s时NiTi SMA薄膜与PZT基体的结合力，详见表2.

τ=Gε0,

(1)

G=E/2(1+μ),

(2)

1/E=(1-μ1)/E1+(1-μ2)/E2.

(3)

式(1)～(3)中，E1为基体弹性模量；μ1为基体泊松比；E2为膜弹性模量；μ2为膜的泊松比；E为计算的复合材料的对应杨氏模量；τ为薄膜与基体的结合力.

表2 薄膜试样与PZT基体的结合力

用磁控溅射沉积薄膜后，再进行600 ℃晶化处理，这样基体和薄膜间一定会存在一些成分扩散，所以NiTi SMA薄膜与PZT基体之间结合力的性质受成膜条件影响[10].由表2和图1可得出：随沉积膜宽度的增加，NiTi SMA薄膜与PZT基体的结合力降低.当沉积膜宽度L<3 mm时，膜基结合力比膜宽L≥3 mm的膜基结合力高2倍多.这说明具备等轴晶结构的NiTi SMA薄膜(膜宽<3 mm)和PZT基体之间的结合力，比柱状晶结构薄膜(膜宽≥3 mm)的结合力更理想.在薄膜的实际制备过程中，是在PZT基体表面大范围连续沉积(膜宽≥3 mm，间距1 mm)NiTi SMA薄膜，这样会出现成分不均以及局部缺陷等现象，使基体与薄膜的结合状况受到影响.如果沉积较小面积的NiTi SMA薄膜(膜宽<3 mm ，间距1 mm)，则在一定程度上可降低膜基界面结合部位产生缺陷的概率.此类局限沉积有助于薄膜沿着三维方向结晶，提高材料的力学结合性能.

3 结 论

在PZT基体表面溅射沉积一定面积的NiTi SMA薄膜，随沉积膜宽度的增加，膜基结合力减小.膜宽L<3 mm的NiTi SMA薄膜，其膜基结合力最高达351 N/mm2，比膜宽L≥3mm的膜基结合力高2倍多.

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The analysis of microhardness testing of bonding force of NiTi SMA thin films and PZT substrate

HE Xuankun，WANG Jingang

CenterofMaterialCharacterizationofNo.46researchinstituteofChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation，Tianjin300220，China

The NiTi SMA thin films were deposited on the surface of lead zirconate titanate ceramics (PZT) by magnetron sputtering, and the bonding properties between the films and PZT were analyzed by microhardness test. The results show that the bonding force of NiTi SMA film to PZT matrix is decreased with the increase of the width of the deposited film. The NiTi SMA film with film width L<3 mm has a film-bound capacity of 351 N/mm2, which is 2 times higher than film width L≥3 mm.

microhardness；NiTi SMA thin film；PZT substrate；bonding force

2017-06-12

何烜坤(1984-),女，内蒙古包头人，工程师，硕士研究生.

1673-9981(2017)02-0132-04

TB333

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