STUDIUM MECHANICKÉHO CHOVÁNÍ ROZDÍLNÝCH SYSTÉMŮ TENKÁ VRSTVA SKLO POMOCÍ INDENTAČNÍCH ZKOUŠEK EVALUATION OF MECHANICAL BEHAVIOUR OF DIFFERENT SYSTEMS THIN FILM GLASS BY INDENTATION TESTS Ivo Štěpánek, Kateřina Macháčková Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 22, 306 14 Plzeň, ČR, ivo.stepanek@volny.cz Abstrakt Příspěvek se zabývá hodnocením vlastností a chování systémů tenká vrstva skleněný základní materiál. Hlavní pozornost je věnována studium mechanického chování při indentačních zkouškách statických i vrypových s různou velikostí působící normálové síly. Hodnocení je postupně prováděno na různých systémech s tenkými vrstvami z pohledu jak vlastností mechanických zejména pak tloušťky tenké vrstva tak z pohledu optických z hlediska nepatrného barevného kontrastu i z hlediska průsvitnosti tenkých vrstev i substrátu. Proti hodnocení tenkých vrstev na kovových substrátech je zde volen rozdílný přístup a indentačních zkoušky jsou zjemňovány dle specifičnosti materiálových systémů. The paper is devoted by evaluation properties and behaviour of systems thin film glass substrate. The main attention is on analysis mechanical behaviour during static and scratch indentation tests with different range of value of normal force acted on surface. Evaluation is realised on different systems with thin films from point of view mechanical properties namely thickness and from point of view optical properties with very small color contrast and transparency of thin films and substrate too. Here is setup different method for evaluation in comparison with systems with metal substrate. Indentation tests are refinement for specific materials systems. 1. ÚVOD Tenké povrchové vrstvy jsou v současné době velmi rozšířené a jejich uplatnění je v mnoha směrech. Pro povrchové úpravy jsou používány různorodé technologie pracující na rozdílných fyzikálních a chemických principech. Ve všech případech je ovšem potřeba hodnotit základní ale i rozšířené vlastnosti a chování systémů tenká vrstva základní materiál. Základní zkouškou pro hodnocení adheze, koheze, adhezivně kohezivního chování pro aplikace vyžadující mechanickou odpolnost vůči tření je vrypová indentační zkouška [1]. Pro hodnocení tloušťky tenkých vrstev je metoda kalotest a pro hodnocení tvrdosti, nanotvrdosti ale i elasticko plastického chování je nanoindentační vnikací zkouška. Všechny tyto zkoušky mají své výhody a nevýhody. Ukazuje se však, že lze tyto zkoušky uplatňovat i pro hodnocení systémů s rozdílnou odolností a rozdílnou tloušťkou vrstev i pro aplikace např. na skleněné základní materiály. V tomto případě jsou ovšem metody hodnocení zjemňovány a modifikovány [2]. 2. VRYPOVÁ INDENTAČNÍ ZKOUŠKA Na vzorkách s tenkými vrstvami byla provedena měření vrypovou indentační zkouškou za dvou rozdílných podmínek. Prvně byla provedena měření diamantovým indentorem Rockwellova typu s poloměrem zakřivení 0.2 mm a podmínky byly nastaveny na mod
s proměnnou normálovou silou v rozmezí normálových sil 0 až 60 N. Normálová síla rostla do maximální hodnoty konstantní rychlostí. Vzorky se pod indentorem též pohybovaly konstantní rychlostí. Takto provedené vrypy byly dokumentovány světelnou mikroskopií a v průběhu vrypové indentace byly zaznamenány průběhy signálu akustické emise snímané od držáčku indentoru a signálu koeficientu tření. Vzhledem k tomu, že takto nastavené parametry jsou pro tyto systémy tenká vrstva substrát dosti drastické bylo přistoupeno ke zjemnění vrypové indentační zkoušky jednak změnou poloměru zakřivení zvoleného indentoru a jednak poklesem maximální normálové síly. Pro roztažení vrypu byla použita i jiná rychlost pohybu vzorku pod indentorem v době měření. Obr. 1: Souhrn morfologií po vrypové indentaci 0 N 30 N Na obr. 1 jsou uvedeny soulepy morfologií stop po vrypové indentaci s proměnnou normálovou silou (první část od 0 N do 30 N) s použitím indentoru diamantového Rockwellova typu s poloměrem zakřivení 0.2 mm. Z obrázku je patrno, že systémy tenká vrstva - substrát se rychle porušují a dochází s růstem normálových sil již poměrně brzy k praskání i podkladového materiálu. Přesto jsou patrny rozdíly. Nejvíce odolným systémem proti vrypové indentaci vychází systém 2. Z počátku je stopa jen těžko patrná. S rostoucí normálovou silou dochází nejdříve k porušení otěrem diamantového hrotu na dně vrypu. Následně již praská základní materiál pod tenkou vrstvou. O něco nižší odolnost ukazuje systém 5. Zde dochází od počátku vrypu ke kohezivnímu praskání vrstvy ovšem až do substrátu přesto vrstva brání praskání podkladového substrátu. Podobné chování ukazuje systém 3 ovšem posouvá se porušení substrátu k nižším hodnotám normálových sil. Podobné chování ukazují i systémy 1 a 4 s rozdílnou hodnotou normálové síly k prvnímu praskání substrátu. Expanze porušení s rostoucí normálovou silou je patrná na obr. 2.
Obr. 2: Souhrn morfologií po vrypové indentaci 30 N 60 N Obr. 3: Souhrn morfologií po vrypové indentaci 0 N 25 N pro zjemněnou zkoušku Vzhledem k velkému rozsahu porušení a výraznému praskání základního materiálu při vrypové zkoušce diamantovým indentorem s poloměrem zakřivení 0,2 mm bylo přistoupeno k modifikaci podmínek měření od standardních ke zjemněným. Byl použit indentor s větším poloměrem zakřivení, zvýšena rychlost pohybu vzorku pod indentorem pro roztažení rozložení normálové síly přes celou délku vrypu a maximální normálová síla snížena na 50 N (obr. 3 a obr. 4). Jak je patrno z morfologií porušení po vrypové zkoušce (první část normálová síla od 0 N do 25 N obr. 3) (vzorky řazeny ve stejném sledu jako u předchozí serie) nejvyšší odolnost ukazuje systém 2, dále pak 4, ač porušení jemnějšího charakteru vzniká dříve. Srovnatelnou odolnost ukazují vzorky 1 a 5 a nejnižší odolnost vykazuje vzorek 3. Porušení je zde převážně kohezivního charakteru na okraji vrypů, které ovšem proniká až do základního materiálu.
Obr. 4: Souhrn morfologií po vrypové indentaci 25 N 50 N pro zjemněnou zkoušku Uvnitř vrypu je patrno při vyšších normálových silách (obr. 4) trhání dna vlivem uvolňování pnutí, které pohyb hrotu do povrchu vnáší. Toto porušení je opět nejvýraznější na vzorku 3, dále na vzorku 1 a třetí v pořadí je vzorek 5. Nejvíce odolný je systém 2. Obr. 5: Souhrn průběhů signálu akustické emise v závislosti na normálové síle Na ob. 5 je shrnutí průběhů křivek pro porovnání. I z průběhu signálu akustické emise vychází nejvyšší odolnost na systém 2 a nejnižší na systém 3. V maximu normálových sil ovšem ukazuje silné praskání systém 5. 3. NANOINDENTACE Na této sadě vzorků byla provedena nanoindentační měření se dvěmi různými maximálními hodnotami normálového zatížení a to 25 g a 5 g pro zachycení ovlivnění povrchových vrstev substrátu a zachycení vlivu tenké vrstvy.
Obr. 6: Indentační křivky na povrchu systémů 1,2,3,4 a 5 při maximálním normálovém zatížení 25 g. Z obr. 6 je patrno, že nejvyšší zpevnění povrchu ukazuje systém 2. Vysokou tvrdost ukazuje i systém 5, což může být příčinnou silného signálu akustické emise (jak bylo vidět z průběhu akustické emise). Nejmenší zpevnění povrchu a i nejvýraznější elastickou deformaci ukazuje systém 1. Obr. 7: Indentační křivky na povrchu systémů 1,2,3,4 a 5 při maximálním normálovém zatížení 25 g. Při nižší hodnotě maximální normálové síly při nanoindentaci (obr. 7) se více projeví vlastnosti tenké vrstvy. Zde je 5 g maximální zatížení. Nejvyšší tvrdost ukazuje systém 2. Ostatní systémy jsou srovnatelné kromě systému 3, který ukazuje vyšší tvrdost a tím opět se projevuje při porušení v signálu akustické emise. 4. KALOTEST Měření byla provedena kalotestem metalografický výbrus pohybem kuličky po povrchu a vybroušení kulového vrchlíku. Měření byla provedeny na všech vzorkách. Níže jsou zdokumentovány morfologie při několika zvětšení. Na všech je vidět, že kvalitní výbrus se realizuje velmi těžko a porušení povrchu a trhání tenké vrstvy nedává příliš možností stanovit řádně tloušťku tenké vrstvy. Dodané vzorky již sami vykazují na okrajích velké porušení. Otázkou je, zda vrstva popraskala v celé ploše a nebo jen v části. Přesto byla snaha výsledky zpracovat viz níže.
METAL 2008 Obr. 8: Kaloty na vzorku 1 při různém zvětšení Obr. 9: Kaloty na vzorku 2 při různém zvětšení Obr. 10: Kaloty na vzorku 3 při různém zvětšení Obr. 11: Kaloty na vzorku 4 při různém zvětšení Obr. 12: Kaloty na vzorku 5 při různém zvětšení Z hodnocení kalot vychází tloušťka u vzorku 1 cca 420 nm (obr. 8), u vzorku 2 cca 400 nm (obr. 9), u vzorku 3 cca 720 nm (obr. 10), u vzorku 4 cca 320 nm (obr. 11) a u vzorku 5 cca 550 nm (obr. 12).
5. RTG FLUORESCENČNÍ ANALÝZA Vzhledem k nepřesnostem a spornosti měření tloušťky tenkých vrstev při velmi malé tloušťce a slabé abrazivní odolnosti kalotestem bylo využito možnosti měření systémů tenká vrstva substrát rtg fluorescenční analýzou uzpůsobenou i pro měření tloušťtky tenkých vrstev a měření i ve velmi malých plochách. Měření ovšem mají též své podmínky a to potřeba kalibračních standardů pro měření těchto systémů a rozdíl v chemckém složení tenké povrchové vrstvy a základního materiálu. I bez standardů je možné mnohdy pozorovat rozdíly ve spektrech a usuzovat na složení vrstvy a změny její tloušťky. Obr. 13: Spektra naměřená na všech vzorkách Rtg spektra (obr. 13) z rtg fluorescenční přehledové analýzy neukazují výrazné rozdíly a to ani při roztažení měřítek (obr. 14) a tudíž lze i těžko usuzovat na rozdíly v tloušťce tenkých vrstev, které v případě, že mají podobné složení jako substrát se nemusí projevit. Barevné rozlišení jako u výše uvedených obrázků. Obr. 14: Roztažená část spekter naměřených na všech vzorkách
Obr. 15: Roztažená část spekter naměřených na všech vzorkách i se substrátem Zde v tomto shrnutí na obr. 15 je přidán silnou hnědou čarou substrát. Jak je patrno, složení je srovnatelné a nebo tenká vrstva je velmi malá na projev ve spektrech. 6. ZÁVĚR Byla vyhodnocena sada vzorků 1,2,3,4 a 5 pomocí vrypové indentační zkoušky s indentory o různém poloměru zakřivení, jiným rozsahem normálových sil a rozdílnou rychlosti pohybu vzorku pod indentorem pro zjemnění zkoušky a zachycení rozdílů v chování jednotlivých systémů. Z vrypové zkoušky lze říci, že nejvyšší odolnost má systém 2, dále pak 4 a na stejné úrovni se jeví vzorky 1 a 5, ač z akustické emise plyne větší expanze porušení na systému 5. Nejméně odolný je systém 3. Dále byla provedena nanoindentační měření, ze kterých ze sklonu indentačních křivek usuzujeme, že nejvyšší zpevnění povrchu je na systému 2 a na systému 3. Systém 2 má vyšší odolnost a tak zpevnění je přínosné. Ovšem systém 3 svojí tvrdostí způsobuje křehké praskání povrchu. Hodnocení tloušťky bylo problematické, neboť odolnost proti abrazivní zkoušce kalotestem je nízká a tloušťka je pravděpodobně velmi nízká. Porušení na okraji kalot komplikuje hodnocení. Nejnižší odolnost systému 3 je dána pravděpodobně větší tloušťkou a tím se stává systém křehčí. Rtg fluorescenční analýza neukázala vzhledem k zákmitům na křivkách spekter výrazné rozdíly, což může být dáno velmi malou tloušťkou ale i podobným chemickým složením vrstvy i substrátu. Příspěvek je presentován v rámci řešení projektu GA ČR č. 106/07/1149 Literatura 1. ŠTĚPÁNEK, I., Evaluation of mechanical behaviour very different kind of material and thickness of films, sborník mezinárodní konference Matrib 2002, str. 233-240, Chorvatsko Vela Luka 2002, ISBN 953-7040-00-3 2. ŠTĚPÁNEK, I., MACHÁČKOVÁ, K.: Complex evaluation of mechanical properties and behaviour of high and low resistivity systems thin film substrate by indentation tests. Sborník Matrib 2006, Chorvatsko 2006, ISBN 953-7040-10-0