靳磊，梁夢(mèng)媛，凌真，鮑賢勇*

（飛亞達(dá)精密科技股份有限公司，廣東 深圳 518057）

光在界面會(huì)發(fā)生反射，這對(duì)于鏡子是有益的，但對(duì)于望遠(yuǎn)鏡、透鏡和眼鏡而言是一種光的損耗[1]。通過(guò)在物體外表面制備特定的涂層可以減少光的反射，這種涂層被稱(chēng)為減反射膜[2]。常用的減反射膜材料有SiO2、TiO2、氟化物等[3-5]。MgF2減反射膜具有折射率低、光學(xué)損耗低、透明波段寬、結(jié)合強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于光學(xué)器件[6]。目前關(guān)于減反射膜的性能研究主要集中在光學(xué)性能方面，對(duì)力學(xué)性能的研究較少，這對(duì)于減反射膜在實(shí)際產(chǎn)品中的質(zhì)量控制是不利的。如鍍減反射膜的手表玻璃在使用過(guò)程中可能會(huì)受到尖銳物體的劃擦，通過(guò)分析減反射膜在劃擦過(guò)程中的變形和失效情況，有針對(duì)地提升薄膜性能就顯得十分必要。

劃痕試驗(yàn)是評(píng)估薄膜力學(xué)性能的有效方法，可以根據(jù)劃擦過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)、摩擦力、摩擦因數(shù)和壓入深度的變化以及劃痕形貌來(lái)半定量檢測(cè)膜層間結(jié)合力和分析鍍膜失效形式，該技術(shù)在類(lèi)金剛石碳、TiN、TiC等硬質(zhì)薄膜上已有較多的應(yīng)用和研究，但很少用于研究減反射膜[7-8]。

本文通過(guò)微米劃痕試驗(yàn)研究了藍(lán)寶石鍍MgF2減反射膜在劃擦過(guò)程中的失效形式，并分析了劃擦過(guò)程中的彈?塑性變形。

1 實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)樣品由新源藍(lán)寶石科技(深圳)有限公司提供，是在沿A 面切割藍(lán)寶石表面鍍MgF2減反射膜所得，膜厚約150 nm。

劃痕試驗(yàn)在Anton Paar MST 微米劃痕儀上進(jìn)行，壓頭為球形金剛石，直徑50 μm。測(cè)試參數(shù)為：初始加載力10 mN，終止加載力3 N，加載速率5 980 mN/min，劃痕長(zhǎng)度3 mm。在劃痕過(guò)程中，由儀器采集壓頭的垂直位移(P)、聲發(fā)射(AE)等數(shù)據(jù)，并由劃痕儀自帶的傳感器掃描得到卸載后壓頭的垂直位移(R)。試驗(yàn)完畢，采用劃痕儀自帶的光學(xué)顯微鏡(OM)和Hitachi S3700 M 型掃描電鏡(SEM)觀察劃痕形貌，用Bruker Quantax 400 型能譜儀(EDS)對(duì)劃痕進(jìn)行線(xiàn)掃描，以分析膜層狀態(tài)。

2 結(jié)果與討論

2.1 劃痕形貌與膜層結(jié)合力分析

圖1為樣品在劃痕過(guò)程中聲發(fā)射和加載力(Fn)隨水平位移(D)的變化曲線(xiàn)。從中可知，聲發(fā)射分別在位移D1= 1 360 μm 和D2= 2 490 μm 處發(fā)生突變，對(duì)應(yīng)的加載力Fn1和Fn2分別為1.36 N 和2.49 N。這表明壓頭在劃擦至這兩個(gè)位置時(shí)樣品的形態(tài)可能發(fā)生變化。

圖1 聲發(fā)射和加載力隨位移的變化Figure 1 Variation of acoustic emission and load with scratch displacement

從圖2a 可知，在劃痕試驗(yàn)的初始階段，樣品表面的劃痕并不明顯，但在后期出現(xiàn)了明顯的劃擦痕跡。根據(jù)劃痕的形態(tài)可以將整段劃痕分為Z1、Z2 和Z3 共3 個(gè)區(qū)域。放大觀察水平位移1 360 μm 和2 490 μm 附近的劃痕可知，Z1 區(qū)劃痕十分輕微，且較窄，劃痕邊緣較完整，未觀察到裂紋、脫落等失效形式；Z2 區(qū)劃痕變寬，邊緣出現(xiàn)非連續(xù)片狀疑似薄膜剝落物；隨著加載力的不斷加大，劃痕進(jìn)一步變寬，到Z3 區(qū)時(shí)除了劃痕邊緣存在非連續(xù)片狀疑似薄膜剝落物外，劃痕中心也出現(xiàn)與水平方向呈120°左右的裂紋，這種裂紋與藍(lán)寶石A 面在壓痕試驗(yàn)時(shí)的形態(tài)一致[9]。結(jié)合聲發(fā)射在此處發(fā)生的突變可知，這些裂紋是在劃擦過(guò)程中金剛石壓頭尖端應(yīng)力集中導(dǎo)致的藍(lán)寶石基體破裂。

圖2 劃痕的光學(xué)顯微圖像Figure 2 OM images of scratch

為進(jìn)一步了解1 360 μm 附近的劃痕狀態(tài)，對(duì)Z1 區(qū)和Z2 區(qū)進(jìn)行掃描電鏡觀察和能譜線(xiàn)掃描分析，結(jié)果如圖3 所示。從圖3a 可以看到，在掃描電鏡下也未觀察到Z1 區(qū)的劃痕邊緣有明顯的薄膜剝落痕跡。能譜線(xiàn)掃描是從非劃痕區(qū)開(kāi)始掃至劃痕區(qū)，再經(jīng)過(guò)非劃痕區(qū)，結(jié)果顯示整個(gè)過(guò)程中Mg 和F 的含量都較平穩(wěn)，表明Z1區(qū)的劃痕區(qū)和非劃痕區(qū)的元素組成無(wú)明顯差異，即劃痕區(qū)的薄膜未出現(xiàn)剝離。從圖3b1 中可以明顯看到薄膜剝落殘留的坑點(diǎn)，這證實(shí)了圖2 中Z2 區(qū)的疑似剝落物為脫落的薄膜。在能譜線(xiàn)掃描至劃痕區(qū)時(shí)Mg 和F 的含量都顯著減小，如圖3b2 方框所示，表明除了劃痕邊緣有薄膜剝落外，劃痕內(nèi)部也有薄膜剝落。

圖3 Z1 區(qū)(a)和Z2 區(qū)(b)的掃描電鏡圖像和能譜線(xiàn)掃描結(jié)果Figure 3 SEM images and EDS line-scan results of area Z1 (a) and area Z2 (b)

綜上可知，圖1 中水平位移1 360 μm 處的聲發(fā)射突變是薄膜剝落產(chǎn)生的，對(duì)應(yīng)的載荷Fn1= 1.36 N 是膜層失效的臨界載荷Lc，薄膜的失效形式是劃痕邊緣和內(nèi)部出現(xiàn)剝落。

2.2 劃擦過(guò)程中薄膜與基體的變形分析

加載力超過(guò)臨界載荷后，部分薄膜會(huì)脫落并留在劃痕上，造成變形測(cè)量結(jié)果有誤。因此，僅研究水平位移在2 000 μm 以?xún)?nèi)薄膜的變形。

圖4為劃擦過(guò)程中P、R和D的關(guān)系曲線(xiàn)。定義垂直位移以薄膜表面為基準(zhǔn)，劃擦過(guò)程中壓頭是下壓的，因此垂直位移為負(fù)值。在一定載荷的作用下，試樣的變形分為彈性變形和塑性變形兩種形式。因此，可以分別采用P、R的絕對(duì)值代表樣品的總變形量和塑性變形量，P與R之差即為彈性變形深度(De)，|De|可代表彈性變形量。P、De和R隨加載力的變化如圖5 所示，從中可計(jì)算得到彈性變形量和塑性變形量占總變形的比例隨載荷的變化，如圖6 所示。

根據(jù)圖4 中試樣的塑性變形量變化可將試樣的變形分為3 個(gè)階段。第Ⅰ階段，隨著壓頭壓入深度和劃痕長(zhǎng)度的增大，試樣的塑性變形量整體呈增大趨勢(shì)，至1 360 μm 附近達(dá)到最大值，接近150 nm，該數(shù)值與薄膜的厚度基本相當(dāng)；第Ⅱ階段，在1 360 μm 附近塑性變形量的絕對(duì)值突然減小，對(duì)應(yīng)薄膜的臨界載荷，意味著薄膜發(fā)生破裂；第Ⅲ階段，殘余變形量的絕對(duì)值小于薄膜厚度，但基本維持在50 ~ 100 nm 之間，這是部分破裂的薄膜粘附在壓頭上所致。

雖然從圖5 已經(jīng)能夠看出樣品的變形以彈性變形為主，塑性變形基本可以忽略，但通過(guò)圖6 能夠更清晰地觀察到不同階段中塑性變形和彈性變形對(duì)綜合變形的貢獻(xiàn)。在劃痕試驗(yàn)的初始階段，塑性變形的占比較大，彈性變形的占比較小，說(shuō)明薄膜在較小的加載力下就已發(fā)生塑性變形。隨著加載力的增大，塑性變形的占比急劇減小，彈性變形的占比急劇增大，這一趨勢(shì)在加載力達(dá)到0.15 N 時(shí)才減緩(如圖6 中L1箭頭所示)，結(jié)合圖1 可知此時(shí)對(duì)應(yīng)的壓頭水平位移為150 μm。結(jié)合圖4 可知，在此過(guò)程中，樣品的彈性變形量仍在持續(xù)增大，由于薄膜已發(fā)生塑性變形，因而增大的彈性變形占比是由基體貢獻(xiàn)的。加載力增大到0.15 N(對(duì)應(yīng)的壓入深度約為150 nm)后，盡管壓頭的壓入深度已經(jīng)遠(yuǎn)超薄膜厚度，但薄膜仍未發(fā)生破裂，意味著薄膜處于塑性變形狀態(tài)，基體則保持彈性變形，直至臨界載荷時(shí)薄膜發(fā)生破裂，塑性變形消失。

圖4 加載時(shí)和卸載后壓頭的垂直位移與水平位移的關(guān)系Figure 4 Relationship between vertical and transverse displacements of indenter during loading process and after unloading

圖5 各變形量隨加載力的變化Figure 5 Variation of different types of deformation degree with loading force

圖6 彈性變形和塑性變形的占比隨加載力的變化Figure 6 Variation of the proportions of elastic deformation and plastic deformation with loading force

綜合上述分析可知，藍(lán)寶石鍍MgF2減反射膜在低加載力作用下就會(huì)發(fā)生塑性變形，并且在達(dá)到臨界載荷前持續(xù)發(fā)生塑性變形，隨著加載力的增大，基體的彈性變形占比逐漸增大。壓頭壓入深度超過(guò)薄膜厚度后薄膜仍未破裂，說(shuō)明MgF2減反射膜的塑性變形能力良好，與基體間的結(jié)合強(qiáng)度高，以及與基體的協(xié)同變形能力好。當(dāng)MgF2減反射膜的塑性變形量接近膜厚時(shí)發(fā)生破裂，說(shuō)明提高薄膜的塑性變形量可以提高其臨界載荷。

3 結(jié)論

(1) 在微米劃擦過(guò)程中，藍(lán)寶石鍍MgF2減反射膜失效時(shí)出現(xiàn)明顯的聲發(fā)射信號(hào)，臨界載荷Lc為1.36 N，薄膜的失效形式為在劃痕邊緣和內(nèi)部都出現(xiàn)剝落。

(2) 在劃擦的初期，MgF2薄膜由彈性變形快速轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?，并在到達(dá)臨界載荷前一直保持塑性變形，而基體的彈性變形逐漸增大。壓頭壓入深度超過(guò)薄膜厚度后，薄膜仍未破裂，展現(xiàn)出較強(qiáng)的薄膜塑性變形和基體彈性變形能力。當(dāng)薄膜的塑性變形量接近薄膜厚度時(shí)，薄膜破裂。

(3) 提高薄膜的塑性變形量能夠提高藍(lán)寶石鍍MgF2減反射膜的臨界載荷。