現(xiàn)代表面工程技術(shù)

1、表面分析和性能測試第一節(jié)表面分析表面形貌和顯微組織的結(jié)構(gòu)分析材料、構(gòu)件、零部件和元器件在經(jīng)歷各種加工處理后或在外界條件下使用一段 時間之后，其表面或表層的幾何輪廓及顯微組織會有一定的變化，可以用肉眼、放大鏡和顯微鏡來觀察分析加工處理的質(zhì)量以及失效原因。顯微鏡發(fā)展迅速，種 類很多，如透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、離子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡, 用各種顯微鏡可在寬廣的范圍內(nèi)觀察表面形貌和顯微組織。表面成分分析目前已有許多物理，化學(xué)和物理化學(xué)分析方法法可以測定材料的成分。例如利 用各種物質(zhì)特征吸收光譜的吸收光譜分析，以及利用各種物質(zhì)特征發(fā)射光譜的發(fā) 射光譜分析，都正確，快速分析材料的成分的策劃你過分

2、，尤其是微量元素。又 如X射線熒光分析，是利用X射線的能量轟擊樣品，產(chǎn)生波長大于入射線波長 的特征X射線，再經(jīng)分光作為定量和定性分析的數(shù)據(jù)。這種分析方法速度快, 準(zhǔn)確，對樣品沒有破壞，適宜與分析含量和較高的元素。但是，這些方法一般不 能用來分析材料量少、尺寸小而不宜作破壞性分析的樣品，因此通常也難于作表 面成分分析。如果分析的表層厚度為1微米的數(shù)量級，那么這種分析稱為微區(qū)分析。電子探 針微區(qū)分析（EPMA）是經(jīng)常采用的微區(qū)分析方法之一。 它是一種X射線發(fā)射光譜分析，用高速運動的電子直接轟擊被分析的樣品，而不像X射線熒光分析那樣是用一次X射線轟擊樣品。高速電子轟擊到原子的內(nèi)層，使各種元素產(chǎn)生相

3、應(yīng)的特征X射線，經(jīng)分光后根據(jù)波長及其強度作定性和定量分析。電子探針可 與掃描電子顯微鏡結(jié)合起來，即在獲得高分辨率圖像的同時，進(jìn)行微區(qū)成分分析對于一個或幾個原子厚度的表面成分分析。需要更先進(jìn)的分析譜儀，即利用各 種探針激發(fā)源（入射粒子）與材料表面物質(zhì)相互作用以產(chǎn)生各種發(fā)射譜 （出射粒 子），然后進(jìn)行記錄。處理和分析。目前各種分析譜儀的入射粒子或激發(fā)源主要有電子、離子、光子、中性粒子、 熱、電場、磁場和聲波等八種，而能接收自表面出射、帶有表面信息的粒子（發(fā)射譜）有電子、離子、中子和光子四種，因此總共有32種基本分析方法。如果 考慮激發(fā)源能量、進(jìn)入表面深度以及伴生的物理效應(yīng)等不同， 那么又可派生出多

4、 種方法，加起來1000種。用分析譜儀檢測出射粒子的能量、動量、荷質(zhì)比、束流強度等特征，或出射波 的頻率、方向、強度、以及偏振等情況，就可以得到表面的信息。這些信息除了 能用來分析表面元素組成、化學(xué)態(tài)以及元素在表面的橫向分布和縱向分布等表面 成分的數(shù)據(jù)外，還有分析表面原子排列結(jié)構(gòu)、表面原子動態(tài)和受激態(tài)、表面電子 結(jié)構(gòu)等功能。表面原子排列結(jié)構(gòu)分析表面原子或分子的排列情況與體內(nèi)不一。如前所述，晶體表面大約要經(jīng)過4-6 個原子層后，原子排列才與體內(nèi)基本相似。晶體表面除重構(gòu)和弛豫等之外，還有 臺階、扭著、吸附原子、空位等缺陷。這是晶體清潔表面的情況。實際表面有更 復(fù)雜的表面結(jié)構(gòu)。表面吸附、偏析、化學(xué)反

5、應(yīng)以及經(jīng)過加工處理，都會引起表面結(jié)構(gòu)的變化。測定表面結(jié)構(gòu)，對于闡明許多表面現(xiàn)象和材料表面性質(zhì)是最重要的。目前經(jīng)常采用X射線衍射和中子衍射等方法來測定晶體結(jié)構(gòu)。X射線和中子穿透材料的能力較強，分別達(dá)幾百微米和毫米的數(shù)量級， 并且他們是中性的，不能用電磁場來聚焦，分析區(qū)域為毫米數(shù)量級，難以獲得來自表面的信息。電子與X射線、中子不同，他與表面物質(zhì)相互作用強，而穿透材料的能力叫弱，一般為0.1微米數(shù)量級，而且可以用電磁場進(jìn)行聚焦，因此電子衍射法經(jīng)常用于圍觀表面結(jié)構(gòu)分析,例如對材料表面氧化、吸附、以及其他各種反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行鑒定和結(jié)構(gòu)分析。利用電子衍射效應(yīng)進(jìn)行表面結(jié)構(gòu)分析的譜儀較多，如低能電子衍射（LEED

6、）和反射式高能電子衍射（RHEED），還有未在該表所列的反射電子衍射（RED）、電子通道花樣（ECP）、電子背射花樣、X/射線柯塞爾花樣（XKP）除了利用電子衍射效應(yīng)，其他一些譜儀如譜儀如離子散射譜、盧瑟福背散射譜、表面靈敏擴(kuò)張X射線吸收細(xì)微結(jié)構(gòu)，角分解光電子普、分子束散射譜等，都可直接或間接用來分析表面結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在已經(jīng)使用一些先進(jìn)的顯微鏡來直接觀察材料表面原子排列和缺陷情況，如高壓電子顯微鏡、分析電子顯微鏡、場離子顯微鏡和掃描隧道顯微鏡等。四.表面原子動態(tài)和受激態(tài)這方面主要包括表面原子在吸附（或脫附）、振動、擴(kuò)散、等過程中能量或勢態(tài)的測量，由此可獲得許多重要的信息例如用熱脫附譜，通過對已吸附的

7、表面加熱，加速已吸附的分子脫附，然后測量脫附率在升溫過程中的變化，由此可獲得有關(guān)吸附狀態(tài)、吸附熱、脫附動力學(xué)等信息。其他分析譜儀如電子誘導(dǎo)脫附譜、光子誘導(dǎo)脫附譜等也可用來研究表面原子吸附態(tài)。又如表面原子振動與體內(nèi)原子振動有差異。在完整晶體中，一個振動模式常擴(kuò) 展到整個晶體。若是實際晶體，則在缺陷附近有可能存在局域的震動模式。對材 料表面而言，由于晶格的周期在此發(fā)生中斷，因而也肯能存在局域于表面附近的 振動模式，在距表面遠(yuǎn)處其振幅趨于零。這種表面振動影響著表面的光學(xué)、熱學(xué)、 電學(xué)性質(zhì)，以及對電子或其他粒子的散射等。電子能量損失譜、紅外光譜、拉曼 散射譜等分析譜儀可用來分析表面原子振動。五. 表面

8、的電子結(jié)構(gòu)分析表面電子所處的勢場與體內(nèi)不同，因而表面電子能及分布和空間分布與體內(nèi)有區(qū)別。特別是表面幾個原子層內(nèi)存在一些局域的電子附加能態(tài)（稱為表面態(tài)）對材 料的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)等性質(zhì)以及催化劑和化學(xué)反應(yīng)中都起著重要的作用。表面態(tài)有兩種。一種是本證表面態(tài)，它是由晶體內(nèi)部的周期性勢場至表面附近 時突然中斷而產(chǎn)生的電子附加能態(tài)。 另一種是外來表面態(tài)，他是由表面附近的雜 質(zhì)原子和缺陷引起的原子附加能態(tài)。因為晶體的周期性勢場至雜質(zhì)原子和缺陷附 近時也會突然中斷，而表面處的雜質(zhì)原子和缺陷比體內(nèi)多得多， 所以表面的這種 電子附加能態(tài)也是很重要的。目前半導(dǎo)體制備技術(shù)已經(jīng)達(dá)到很高的水平， 可以制備出純度和完整性

9、非常高的 半導(dǎo)體材料，體內(nèi)雜質(zhì)和缺陷極少，因此半導(dǎo)體的表面態(tài)是較為容易檢測的。 玻 璃、金屬氧化物和一些鹵化物由于禁帶中有電子、 空穴和各種色心等引起的附加能及，所以表面態(tài)不容易從這些附加的能及中區(qū)分開來。金屬沒有禁帶，而體電 子在費米能級出的能及密度很高，表面態(tài)也難于區(qū)分。雖然金屬和絕緣體材料的 表面態(tài)檢測有困難，但是隨著分析譜儀的發(fā)展，這些困難將逐步得到克服。研究表明電子結(jié)構(gòu)的分析譜儀主要有紫外光電子普、角分解光電子譜、離子中和譜等。第二節(jié)表面分析儀器和測試技術(shù)簡介電子顯微鏡1.透射式電子顯微鏡（TEM）電子被加速到lOOkeV時，其波長僅為0.37nm，為可見光的1/10 5左右，因此電

10、子束用來成像，分辨本領(lǐng)打打提高?，F(xiàn)在電子顯微鏡的分辨本領(lǐng)可高達(dá)0.2nm左右。透射式電子顯微鏡是應(yīng)用較廣的電子顯微鏡。電子穿過電磁透鏡與光線穿過光學(xué)透鏡有著相似的成像規(guī)律。如圖10-1所示，在高真空密封體內(nèi)裝有電子槍、電磁透鏡、樣品室和觀察屏等。電子槍由陰極、柵極和陽極組成。電子槍發(fā)出的高速電子經(jīng)透光鏡后平行射到試樣上。 試樣要加工的很薄，也可被觀察到實物的表面復(fù)制成的薄膜。穿過試樣而被散射的電子束，經(jīng)物鏡、中間鏡和投影鏡三級放大，在熒光屏上成像。在物鏡的后焦面處裝有可控制的電子束的入射孔徑角的物鏡光闌，以便獲得最佳的像襯度和分辨率。2.掃描電子顯微鏡究竟能看清多大的細(xì)節(jié)，這不僅和顯微鏡的分辨

11、本領(lǐng)有關(guān)，而且還與物體本身的性質(zhì)有關(guān)。例如對于羊毛纖維、金屬斷口等，用光學(xué)顯微鏡，因其景深短而無法觀察樣品的全貌。用透射電鏡，因試樣必須做的很薄,故也很難觀察到凹凸如此不平的物體的細(xì)節(jié)。掃描電鏡則利用一極細(xì)的電子束（7-10nm ），在試樣表面來回掃描，吧試樣表面反射出來的二次電子作為信號,調(diào)制顯像管熒光屏的亮度，和電視相似，就可逐點地顯示出試樣表面的像。掃描電鏡的優(yōu)點是景深長,視場調(diào)節(jié)范圍寬。制樣極為簡單，可直接觀察試樣。對各種信息檢測的適應(yīng)性強,是一種實用的分析工具，掃描電鏡的分辨本領(lǐng)可達(dá)7-10nm 。圖10-2是掃描電鏡的原理圖。由電子槍發(fā)出的電子束，依次經(jīng)兩個或三個電 磁透鏡的聚焦，

12、最后投射到試樣表面的一小點上。末級透鏡上面掃描線圈的作用 是使電子束作光柵試掃描。在電子束的轟擊下，試樣表面被激發(fā)而產(chǎn)生各種信號:反射電子束、二次電子、陰極發(fā)光光子、電導(dǎo)試樣電流、吸收試樣電流、X射線 光子、餓歇電子、透射電子。這些信號是分析研究試樣表面狀態(tài)和性能的重要依 據(jù)。利用適當(dāng)?shù)奶綔y器接受信號，經(jīng)放大并轉(zhuǎn)換為電壓脈沖，再經(jīng)放大，并用以 調(diào)制同步掃描陰極射線管的光束亮度，于是在陰極射線管的熒光屏上構(gòu)成了一副 經(jīng)放大的式樣表面特征圖像，以此來研究試樣的形貌、成分及其他電子效應(yīng)。二.掃描隧道顯微鏡它是利用導(dǎo)體尖針與樣品之間的隧道電流并用精密壓電晶體控制導(dǎo)體針尖沿樣品表面掃描。從而能以原子尺寸

13、記錄樣品表面形貌以及獲得原子排列、電子結(jié) 構(gòu)等信息。STM的主體由三維掃描控制器、樣品逼近裝置、減震系統(tǒng)、電子控 制系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)采集和圖像分析系統(tǒng)等組成。其工作原理是利用量 子隧道效應(yīng)圖10-4為隧道電流原理圖。先討論金屬 M1-絕緣層-金屬M2的情 況【見圖10-4】當(dāng)絕緣厚度s減至0.1 nm以下，并且M2相對于M1機上正偏壓y時，他們之間就有電流通過。圖10-4（b）為此結(jié)的位能圖。由于在界面 和絕緣層中出現(xiàn)勢壘，經(jīng)典理論不能解釋這種電流，但量子力學(xué)理論可以解釋,并將其稱為量子隧道效應(yīng)。圖10-4C示出隧道電流集中在針尖附近。圖10-5a 為STM結(jié)構(gòu)原理圖，其中X、丫、Z為

14、壓電驅(qū)動桿，L為靜電初調(diào)位置架，G為 樣品架。圖10-5b為針尖頂端與樣品架放大10000倍后的示意圖。圖10-5C為 圖b放大10000倍后的示意圖，圓圈代表原子，虛線代表電子云等密度線，箭 頭表示隧道電流的方向。如果在 Z壓電桿上加上可調(diào)節(jié)的直流電壓，則可將隧 道電流控制于1-10nA之間的任意值。在X壓桿上加劇齒波電壓，使針尖作類 似于電視中的行掃描，在丫壓電桿上加另一臺階鋸齒波電壓，使針尖作幀掃描流 保持不變，則針尖應(yīng)隨表面起伏而移動，即 Z壓桿上的電壓要改變，其改變量與表面皺紋有關(guān)，這由電路自控完成。若在記錄儀上畫出行。幀掃描時按Z方 向高度的變化，貝冋得到表面形貌圖。STM的縱向分

15、辨率已經(jīng)達(dá)到0.01 nm，縱向分辨率優(yōu)先于0.2nm，可用來研 究各種金屬、半導(dǎo)體生物樣品的表面形貌，也可研究表面沉積，表面原子擴(kuò)散和徙動、表面粒子的成核和生長、吸附和脫附等等。STM可在真空、大氣、溶液、 常溫、低溫等不同環(huán)境下工作。原子力顯微鏡原子力顯微鏡(AFM)是Binnig、QUme、Gelher在1986年發(fā)明的，它是將STM的工作原理與針式輪廓曲線儀原理結(jié)合起來而形成的一種新型顯微鏡。如 前所述STM是基于量子隧道效應(yīng)工作的，當(dāng)一個原子尺度的金屬針尖非常接近的樣品，在有外電場存在時，就有隧道電流It產(chǎn)生。Tt強烈的依賴于針尖與樣 品之間的距離，例如0.1 nm距離的微小變化就能

16、使It改變一個數(shù)量級，因而探測It就能得到具有原子分辨率的樣品表面三維圖像。STM能獲得表面電子結(jié)構(gòu)等信息，樣品又可置于真空、大氣、低溫及液體覆蓋下進(jìn)行分析，因此STM得 到了廣泛的應(yīng)用，但是STM因在操作中需要施加偏電壓而只能用于導(dǎo)體和半導(dǎo) 體。AFM是使用一個一端固定而另一端裝有針尖的彈性微懸臂來檢測樣品表面 形貌的。當(dāng)樣品在針尖下掃描時，同距離有關(guān)的針尖與樣品之間微弱相互作用力,如范德瓦爾斯力、靜電力等，就會引起微懸臂的形變，也就是說微懸臂的形變是 對樣品與針尖相互作用的直接測量。這種相互作用力是隨樣品表面形貌而變化的。如果用激光束探測微懸臂位移的方法來探測該原子力，就能得到原子分辨率

17、的樣品形貌圖像。APM能夠探(MFM)、電AFM不需要加偏壓，故適用于所有材料，應(yīng)用更為廣泛。同時, 測任何類型的力，于是派生出各種掃描力的顯微鏡，如磁力顯微鏡 力顯微鏡（EFM ）、摩擦力顯微鏡（FFM）等。AFM有三種不同操作方式：接觸模式、非接觸模式以及介于兩者之間的輕敲 模式。圖10-6給出了各模式在針尖和樣品相互作用力曲線中的工作區(qū)間。在接 觸模式中，針尖始終同樣品接觸，兩者互相接觸的原子中電子間存在庫倫排斥力。雖然他可形成穩(wěn)定、高分辨圖像，但探針在樣品表面上的移動以及針尖和表面的粘附力，可能使樣品產(chǎn)生相當(dāng)大的變形并對針尖產(chǎn)生較大的損害，從而在圖像數(shù)據(jù)中產(chǎn)生假象。非接觸模式是控制探針

18、在樣品表面上方5-20nm距離處掃描,所檢測的是范德瓦爾斯吸引力和靜電力等對成像樣品沒有破壞的長城作用力，但 分辨率教接觸模式的低。實際上由于針尖容易被表面的粘附力所捕獲， 因而非接 觸模式的操作室很難的。在輕敲模式中，針尖同樣品接觸，分辨率幾乎與接觸模式的一樣好，同時因接觸很短暫而使剪切力引起對樣品的破壞幾乎完全消失。輕 敲模式的針尖在接觸樣品時，有足夠的振幅來克服針尖與樣品之間的粘附力。目 前輕敲模式不僅用于真空、大氣，在野兔環(huán)境中的應(yīng)用研究不斷增多。AFM能夠探測各種類型的力。目前已經(jīng)派生出磁力顯微鏡（ MFM ）、電力顯 微鏡（EFM ）、摩擦力顯微鏡（FFM ）、化學(xué)力顯微鏡（CFM

19、 ）等。例如MFM 它的結(jié)構(gòu)如圖10-7所示，由納米尺度的磁針尖加上納米尺度的掃描高度使磁性 材料表面磁結(jié)構(gòu)的探測精細(xì)達(dá)到納米尺度。四、X射線衍射目前電鏡雖有很高的分辨本領(lǐng)，但是最多只能看到一些特殊制備的試樣中原子與原子晶格平面，從而測定晶體結(jié)構(gòu)等通常是采用X射線衍射和電子衍射的方 法，即測定的依據(jù)是衍射數(shù)據(jù)。X射線管的結(jié)構(gòu)如圖10-8所示。在抽真空的玻璃管的一端有陰極，通電加熱 后產(chǎn)生的電子經(jīng)聚焦和加速，打倒陽極上，把陽極材料的內(nèi)層電子轟擊出來， 當(dāng)較高能態(tài)的電子去填補這些電子空位時，就形成了X射線。他從鈸窗中射出,射到晶體試樣上，晶體的每個原子或離子就成為一個小散射波的中心。由于結(jié)構(gòu) 分析

20、用的X射線波長與晶體中原子間距是同一數(shù)量級以及晶體內(nèi)質(zhì)點排列的周期性，使這些小散射波互相干涉而產(chǎn)生衍射現(xiàn)象?？梢宰C明，一束波長為入的X射線，入射到面間距為d的點陣平面上，當(dāng)滿足布拉格條件2dsin B=n入時就可能產(chǎn)生衍射線，如圖所示10-9為了達(dá)到發(fā)生衍射的目的，常采用以下三種方式：勞埃法，即用一束連續(xù)X 射線以一定方向射入一個固定不動的單晶體。 此時X射線的A值是連續(xù)變化的, 許多具有不同入射角0的X射線和不同的d的點陣平面都可能有一個相應(yīng)的入使之滿足條件。轉(zhuǎn)晶法，即用單一波長的X射線射入一個單晶體，射線與一晶軸垂直，并使晶體繞此軸旋轉(zhuǎn)或回擺。粉末法，他用一束單色X射線射向塊 狀或粉末狀的

21、多晶試樣，因其中小晶粒的晶面滿足布拉格條件而產(chǎn)生衍射。 記錄 衍射線的方法主要有照相法和衍射儀法五、電子探針在X射線光譜中，除X射線熒光光譜義外，還有一種是X射線發(fā)射光譜分析。它是利用高速運動的電子直接打擊被分析的樣品，而不像X射線熒光分析那樣是一次X射線打擊樣品的。高速電子攻擊到原子內(nèi)層，使各種元素產(chǎn)生對應(yīng)的特征X射線，經(jīng)過分光，根據(jù)波長進(jìn)行定性分析，根據(jù)各種特征波長的強度作定量分析。但是在單純的 X射線分析儀器中這一類較少，主要是用在電子探針上。電子探針又稱作微區(qū)X射線光譜分析儀如電子顯微鏡這兩種設(shè)備組合而成的。圖10-10是電子探針的原理圖，它主要是友我一個主要部分組成的：1電子光學(xué)系統(tǒng)

22、，包括電子槍、兩對電子透鏡、電子束掃描線圈。2X射線光譜儀部分,包括分光晶體、計數(shù)器、X射線顯示裝置。3.光學(xué)顯微鏡目測系統(tǒng)，它供觀察電子束所處的位置和供調(diào)整樣品與電子束的相對位置，以便對準(zhǔn)所需分析的微區(qū)。4背散射電子圖像顯示系統(tǒng)。當(dāng)高速電子轟擊樣品表面時，除發(fā)射特征X射線光譜外，還有一部分電子被樣品表面的原子散射出來， 稱為背散射電子，把它給出的信號在熒光屏上顯示出來，可研究樣品表面的組織結(jié)構(gòu),并且可以說明樣品表面各種原子序數(shù)的原子分布情況。5.吸收電子圖像顯示系統(tǒng)。電子束打倒樣品上,有一部分電子被分布在表面的各種不同元素的原子所吸收。把他給出的信號顯示出來，同樣說明樣品表面各種不同元素原子

23、的分布狀態(tài)。電子探針具有分析區(qū)域?。ㄒ话銥閹琢⒎轿⒚祝?，靈敏度高，可直接觀察選區(qū),制樣方便，不損壞試樣以及可作多種分析等特點， 是一種有力的分析工具。電子探針可與掃描電鏡結(jié)合起來，即在獲得高分辨率圖像的同時，進(jìn)行微區(qū)成分分析。六電子能譜儀對表面成分的分析，有效的工具是 20世紀(jì)70年代以來迅速發(fā)展起來的電子能譜儀，如光電子譜（PES）、俄歇電子譜（AES）、能量損失譜（ELS）、出現(xiàn)勢譜（APS）和特征X射線譜等。他們對樣品表面淺層元素的組成一般能給出比較 準(zhǔn)確的分析。同時他們能在動態(tài)條件下測量，例如對薄膜形成過程中成分的分布、 變化給出較好的探測、使監(jiān)測制備高質(zhì)量的薄膜器件稱為可能。AES是

24、以法國科學(xué)家俄歇發(fā)現(xiàn)的俄歇效應(yīng)為基礎(chǔ)而得名。他在1925年用威爾遜云室X射線電離稀有氣體時，發(fā)現(xiàn)除光電子軌跡外，還有1-3條軌跡，根據(jù)軌跡的性質(zhì)，斷定他們是由原子內(nèi)部發(fā)射的電子造成的，以后把這種電子發(fā)射現(xiàn) 象稱為俄歇效應(yīng)。圖10-12是俄歇電子譜儀的原理圖。電子槍用來發(fā)射電子束，以激發(fā)試樣使 之產(chǎn)生包含有俄歇電子的二次電子；電子倍增器用來接收餓歇電子，并將其送到 俄歇能量分析器中進(jìn)行分析；濺射離子槍用來對分析試樣進(jìn)行逐層剝離。俄歇電子能譜儀（AES）是高速電子打倒材料表面上，激發(fā)出餓歇電子對微小 區(qū)域做成分分析的儀器。俄歇電子式一種可以表征元素種類及其化學(xué)價態(tài)的二次電子。由于俄歇電子的穿透能力

25、很差，故可用來分析距離表面1nm深處，幾個 原子層的成分。如果配上濺射離子槍，則可對試樣進(jìn)行逐層分析，得出雜質(zhì)成分 的剖面分析?，F(xiàn)在，掃描電鏡上已可附加這種俄歇譜儀， 以便有目的地對微小區(qū) 域成分分析。俄歇譜儀幾乎對所有元素都可分析， 尤其對輕元素更為有效。因此 俄歇譜儀對輕元素分析和表面科學(xué)研究有重大意義。第二節(jié)表面檢測表面層檢測大致包括以下內(nèi)容：外觀、厚度、耐蝕性、耐磨性、密度及孔隙率、 硬度、結(jié)合強度、或附著力；涂層的特殊測試性能有耐熱性、抗高溫氧化性、親 水性、絕緣性、導(dǎo)電性、電磁屏蔽性、抗海洋生物吸附性、生物相容性、脆性、 釬焊性等等。1. 涂層表面粗糙程度的檢測涂層表面粗糙度指涂層

26、表面具有較小間隙和微觀峰谷不平度的微觀幾何特 性。涂層表面幾何形狀誤差的特征是凹凸不平。凸起處為波峰，凹處為波谷。兩 相鄰波峰或波谷的間距稱為波距（L）。相鄰波峰與波谷的一半差為波幅。 表面幾何形狀誤差很據(jù)涂層波幅與波距的比值大小可分為形狀誤差、波紋度和粗糙度三 類。一般來說，涂層表面粗糙度越低，光亮度越高，涂層外觀質(zhì)量也就越好。但是 粗糙度和光亮度是兩個本質(zhì)不同的概念，不能混為一談，而且兩者不總是一致的。有些涂層可能光亮度很好，但粗糙度可能并不低；有些涂層的光亮度差，但其粗 糙度卻很低。不僅是裝飾涂層。即便是耐磨涂層或減磨涂層、 粗糙度也是一個很 重要的性能指標(biāo)。涂層表面粗糙度測量屬于微觀長

27、度計量。 目前采用的方法主要有比較法（樣板 對照法）、針描法（接觸量法）、和光切法等幾種、（1）樣板對照法 樣板對照法屬于比較法，是粗擦度的一種定性的測量方法、即將待測涂層表面與標(biāo)準(zhǔn)樣板進(jìn)行比較。若受檢涂層與模板一致，即可 認(rèn)為此樣板的粗糙度是此涂層的粗糙度。（2）輪廓儀測量法 輪廓測量儀發(fā)屬于針描法，是一種表面粗糙度的定量測試方法。其類型有機械式、光電式及電動式等幾種。常用電動式輪廓儀 工作原理是：傳動感使測量傳感器的金剛石針尖在被測涂層表面平穩(wěn)移 動一段距離時，由金剛石針尖順著被涂層表面在波峰與波谷之間產(chǎn)生位 移產(chǎn)生一定振動量。其振動量大小通過壓電晶體轉(zhuǎn)化為微弱電能， 然后 經(jīng)晶體管放大器

28、放大并整流后，在儀表上直接讀出被測涂層表面粗糙度 相應(yīng)的表征參數(shù)Ra值。即被測涂層的粗糙度。2. 涂層表面光澤度的檢測涂層表面光澤度是指涂層表面在一定照度和一定角度入射光作用下的反射光 比率或強度。涂層反射光的比率或強度越大，涂層光澤度較高。光澤度又稱光亮 度。涂層表面光澤度的測量方法有三種：目測法、樣板對照法、光度計法。前兩種 檢測方法有一定性的主觀性，往往因人而異，測量不夠準(zhǔn)確。第三種方法比較客 觀，尤其是對平面涂層檢測效果較好， 但也存在一定困難，主要是不能區(qū)分各種 光亮涂層的差別。目測法 對涂層光亮度用目測法確定光亮級別的條件是；照度為 300IX（相當(dāng)于40W日光燈在500mm 處的

29、照度）樣板對照法 作為目測法的一種改進(jìn)，可用標(biāo)準(zhǔn)光亮樣板（不同級別）與 待測涂層進(jìn)行比較，標(biāo)準(zhǔn)樣板分為 4級 光度計測量法 光度計測涂層光澤在國內(nèi)比較少應(yīng)用，有待于進(jìn)一步研 究。目前很多涂層光澤度測試還是靠目測或比較法，這樣做事不夠客觀的。而廣度計，例如用分光光度計平均波長為430-490微米時，將二氧 化鈦反射率作為100表示“白度”。待測各種鋅涂層的“白度”。二、鍍涂層或表面處理層厚度的測定涂層的厚度檢驗包括局部厚度檢驗和平均厚度檢驗兩個內(nèi)容。其檢測方法分為非 破壞性檢驗及破壞性檢驗兩種。無損法檢驗方法有：重量法、磁性法、渦流發(fā)法、 機械量具法、X射線熒光測厚法、P射線反向散射法、光切顯微

30、鏡法及能譜法等。破壞性檢驗法有：點滴法、液流法、化學(xué)溶解法、電量法、金相顯微鏡法、輪廓法及干涉顯微鏡法等。1. 金相顯微鏡法 將待測涂層試樣制成涂層斷面試樣，然后用帶有測微目鏡的金相顯微鏡觀察涂層 橫斷面的放大圖像，可直接測量涂層的局部厚度的平均厚度。所制備的供測量用 涂層試樣應(yīng)進(jìn)行切割，邊緣保護(hù)、鑲嵌、研磨、拋光、浸漬，然后水洗吹干即可 進(jìn)行測量。對化學(xué)保護(hù)層經(jīng)拋磨后不必進(jìn)行侵蝕。 這種方法適用于一般涂層的測 厚。其特點是準(zhǔn)確度高，判別直觀。2. 氣相沉積薄膜厚度的測定采用各種物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積在基地表面得到的薄膜，厚度通常只有 幾微米或更薄，因此需要更精密的儀器來測定。例如多光束干

31、涉、位相差顯微鏡、 橢圓儀等光學(xué)法；觸針式光潔測定器、空氣測微器等機械法；石英晶體振蕩儀、 直流電阻測定儀、渦流電流測定儀等電學(xué)法；微量天平測定儀的稱量法。實際上 測定薄膜的方法還有很多，可以采用各種原理來靈活運用。 但是，應(yīng)當(dāng)考慮到用 氣相沉積得到的薄膜，多是1-102 nm 的大量分子集合體在材料表面沉積和連成 一體的，不僅密度和結(jié)晶性與塊狀材料未必一致， 而且對同一膜層用不同測定方 法得到的厚度也不一定相同。在測定薄膜厚度時需要考慮沉積量是以幾何學(xué)的容 積進(jìn)行測量，還是以質(zhì)量形式進(jìn)行測量，如果選擇不當(dāng)，就會得到不一致的結(jié)果。反過來，在完成膜層厚度測定工作時。為了明確膜厚度測定結(jié)果表示什么

32、意義上 的膜厚，必須注明測定方法。三、涂層的耐蝕性檢驗涂層耐蝕性檢驗包括以下內(nèi)容：大氣暴露試驗，即將待測涂層試樣放在大氣 環(huán)境介質(zhì)中進(jìn)行各種大氣環(huán)境下的腐蝕試驗，定期觀察腐蝕過程的特征，測定腐蝕的速度，其目的是評定涂層在大氣環(huán)境下的耐蝕性； 使用環(huán)境試驗，即將待測涂層試樣放在實際使用環(huán)境中，觀察其腐蝕試驗，即將待測涂層試樣放入待定人工模擬介質(zhì)中，觀察腐蝕過程的特征，其目的是評定涂層耐蝕的性能四、涂層的耐磨性試驗1.磨料磨損試驗?zāi)チ夏p試驗一般有兩種：一種是橡膠輪磨料磨損試驗，另一種是銷盤式磨料磨損試驗橡膠輪磨料磨損試驗原理見圖。磨料通過下料管以固定的速度落到旋轉(zhuǎn)著的磨輪與方塊試樣之間，磨輪的輪

33、緣為規(guī)定硬度的橡膠。 試樣借助杠桿系統(tǒng)，以一定的壓力壓在轉(zhuǎn)動的方向應(yīng)使接觸面的運動方向與磨料流動方向一致。在磨料旋轉(zhuǎn)過程中，磨料對試樣產(chǎn)生低應(yīng)力磨料磨損。經(jīng)過一定的摩擦行程后，測定試樣磨失矢量，即涂層的 減少量。并以此評定涂層的耐 蝕性。典型試樣尺 寸為50mm*75mm ，厚度為10mm，在其平面上制備涂層，比用平面磨床將涂層磨平，磨削方向應(yīng)平行于試樣長度方向。涂層表面應(yīng)無任何附著物或缺陷。圖10-16為銷盤式磨料磨損試驗示意圖。將砂紙或紗布裝在圓盤上，作為試驗機的磨料。試樣做小丁式，在一定負(fù)荷壓力下壓在圓盤砂紙上。試樣的涂層表面與圓盤砂紙相接觸。圓盤轉(zhuǎn)動，試樣沿圓盤的徑向作直線運動。經(jīng)一定

34、摩擦行程后測定失重，即涂層的磨損量，并以此來評價涂層的耐磨性。2.摩擦磨損試驗環(huán)形樣品與配附件形成摩擦副。形成摩擦副的配附件如圖所示,共有四種。試驗過程中，可采取干摩擦，也可以是潤滑摩擦。摩擦速度亦可自由選取。試驗后測定的失重，即涂層的減少量。根據(jù)各組摩擦副及其條件的實驗結(jié)果，評價涂層的耐磨性。3. 噴砂試驗如圖10-18所示，樣品剛?cè)胂鹉z保護(hù)板上并固定在電磁盤上，在噴砂室內(nèi)， 用射吸式噴砂槍噴砂，噴砂槍用夾具固定，其噴砂角幾噴砂距離保持不變。噴砂 速率恒定。砂料一般選用剛玉砂。在噴砂過程中，磨料對涂層產(chǎn)生沖蝕磨損，噴 砂時間一般選為1min。試驗后測定試樣失重，即涂層質(zhì)量減少量，用以評定涂

35、層的耐沖蝕磨損性能。這種磨損試驗特別適用于經(jīng)受由氣體或液體攜帶一定尖銳 度的硬質(zhì)顆粒沖刷造成的沖蝕磨損。五、涂層的孔隙率試驗涂層的孔隙率是涂層材料制備前后的體積相對變化比率， 或涂層材料在制備前 后的密度相對變化率，孔隙率是表征涂層密實程度的度量。不同功能的涂層對孔 隙率的要求不同。用不同方法制備的涂層的孔隙率也不盡相同。 例如，用于防腐 蝕的耐蝕涂層，嚴(yán)防有害介質(zhì)通過涂層到達(dá)基體，故要求涂層的孔隙率越小越好。同樣是熱噴涂合金耐磨涂層，若用火焰線材噴涂，其涂層孔隙率必然大于用等離 子噴涂的同類材料涂層。從防腐蝕角度看，涂層孔隙率越小，耐蝕性越好，故希 望涂層孔隙率小。但是對于耐磨減磨涂層，涂層

36、中孔隙多，則存儲潤滑油就越多, 當(dāng)然是孔隙率越大越好。故涂層孔隙率大小的評價有賴于其功能的追求。涂層孔隙率測定方法很多，大致有浮力法、直接稱量法、濾紙法、涂膏法、浸 漬法、電解顯像法、顯微鏡法。六、涂層的硬度試驗涂層的硬度是涂層力學(xué)性能的重要指標(biāo)。 他關(guān)系到涂層的耐磨性、強度及壽命 等多種功能。涂層的硬度試驗有宏觀硬度與顯微硬度試驗。涂層的宏觀硬度指用一般的布氏或洛氏硬度計，以涂層整體大范圍壓痕為測定 對象所測得的硬度值。這里，由于涂層不用于基體，涂層中可能存在的氣孔，氧 化物等缺陷對所測得的宏觀硬度值會產(chǎn)生一定影響。涂層的顯微硬度指用顯微硬度計，以涂層中微粒為測定對象所得的硬度值。涂層的宏觀

37、硬度與顯微硬度在本質(zhì)上是不同的， 涂層宏觀硬度反映的是涂層的 平均硬度，而涂層顯微硬度反映的是涂層中顆粒的硬度。兩者的意義是不同的。涂層的宏觀硬度與顯微硬度在數(shù)值上也是不同的。一般來講，對于厚度小于幾十微米的涂層，為消除基體材料對涂層硬度的影響和涂層厚度壓痕尺寸的限制，可 用顯微硬度。反之，若涂層較厚，則可用宏觀硬度。七、涂層的結(jié)合強度試驗無論采用多么先進(jìn)的技術(shù)，制造出多么優(yōu)異的鍍膜、涂層或者改性層，如果它 和基體結(jié)合不好，容易剝落，或者容易碎裂，或者容易失效，它的性能再好，也 沒有使用價值。因此從力學(xué)的角度來看，膜基結(jié)合強度在表面工程技術(shù)中是極為 重要的一個力學(xué)性能參量。涂層的結(jié)合強度是指涂

38、層與基體結(jié)合力的大小。 即單位表面積的涂層從基體上 剝落下來所需的力。涂層與基體的結(jié)合強度是涂層性能的一個重要指標(biāo)。若結(jié)合 強度小，輕則會引起涂層壽命降低，過早失效；重則易造成涂層局部引起鼓包, 或涂層脫落無法使用。檢測鍍、涂層或表面處理層結(jié)合強度的具體方法很多。例如用來測定電鍍層結(jié) 合強度有摩擦法、切割法、形變法、剝離法、加熱法、陰極法、拉立法等。具體 選擇時，應(yīng)綜合考慮鍍層特性、集體材質(zhì)、鍍層厚度、基體材料等因素。又如用 各種氣相沉積得到的硬質(zhì)薄膜，通常有壓痕法、戈y痕法、拉伸法、激光剝離法、等測量結(jié)合強度的方法可供選擇、目前劃痕法是最常用的一種標(biāo)準(zhǔn)方法。 劃痕法 是以硬度大于膜的材料制成

39、壓片。令其在膜面以一定速度劃過，同時作用在壓頭 上的垂直壓力不斷增加，直至膜層與基體脫離接觸，此時載荷為臨界載荷，通過 計算求出魔的結(jié)合強度.1.彎曲試驗試驗原理如圖所示。對矩形試樣做三點彎曲試驗。涂層與基體受力不同，當(dāng)兩 個力之分力大于涂層與基體之結(jié)合力時， 涂層從基體起皮或剝落。最終以彎曲試 驗中涂層開裂、剝落情況來評定涂層與基體的結(jié)合力。2.沖擊試驗用錘擊或落球?qū)υ嚇颖砻娴耐繉臃磸?fù)沖擊，涂層在沖擊力作用下局部變形 發(fā)熱、振動疲勞以致最終導(dǎo)致涂層剝落。以錘擊次數(shù)評價涂層與基體的結(jié)合強度沖擊試驗方法有下述兩種1.錘擊試驗2.落球試驗3. 垂直拉伸法拉伸試驗有兩種形式，一種是作用力垂直于膜基界

40、面，另一種是作用力平行于 膜基界面，前者稱為垂直拉伸法，后者稱為平行拉伸法。垂直拉伸法的原理見圖10-21 .試驗時，只要測定拉力F和試件橫截面積A即 可。計算出試件的膜基結(jié)合強度 P, P=F/S。用這種方法，Schmidbauer等人 測定了陶瓷基上真空電弧沉積 Cu膜，Pischow等人測定了不銹鋼氧化膜上物理 氣相沉積TiN膜，測試的結(jié)果一般來講是可信的。但是，該法的明顯不足是受 到粘結(jié)劑與膜層間結(jié)合強度的限制，目前，環(huán)氧樹脂的最大拉伸強度為70MPa， 所以，用此粘結(jié)劑顯然無法測出高于 70MPa的結(jié)合強度。此外，該法易受材料 缺陷、試件尺寸等因素的影響，測得的數(shù)值有不穩(wěn)定現(xiàn)象。4.壓痕法壓痕法是實踐中用的教為廣泛的一種方法，它采用非應(yīng)力參量才估算膜基間的 界面結(jié)合強度。試驗原理參見