本發(fā)明屬于薄膜材料檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種快速高通量檢測(cè)組合材料芯片應(yīng)力腐蝕敏感性的方法。

背景技術(shù)：

大多數(shù)材料的服役環(huán)境均處于腐蝕性介質(zhì)以及外加應(yīng)力的共同作用，這種環(huán)境下材料容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕，從而造成材料的脆性斷裂，給機(jī)械設(shè)備的安全運(yùn)行造成重大安全隱患。應(yīng)力腐蝕敏感性就是表征材料在發(fā)生應(yīng)力腐蝕時(shí)的腐蝕特征的參數(shù)。材料表面涂覆薄膜涂層作為材料防腐的主要措施之一，通常情況下選擇容易發(fā)生鈍化的材料作為保護(hù)涂層，能夠更好的保護(hù)基體免受環(huán)境的腐蝕，但是現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這些薄膜材料在特定腐蝕性介質(zhì)中，薄膜表面會(huì)生成鈍化膜，這層鈍化膜可以保護(hù)薄膜免受介質(zhì)的腐蝕，但同時(shí)離子向薄膜內(nèi)部或外部的遷移會(huì)在鈍化膜和薄膜的界面處產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力或壓應(yīng)力。對(duì)于陽(yáng)極溶解性應(yīng)力腐蝕體系，在自然腐蝕條件下由于離子的遷移可能在表面產(chǎn)生附加拉應(yīng)力，而附加拉應(yīng)力平行于膜表面，試圖使試樣伸長(zhǎng)，當(dāng)外加應(yīng)力也是拉應(yīng)力時(shí)，這個(gè)附加拉應(yīng)力會(huì)與外加拉應(yīng)力疊加，促進(jìn)位錯(cuò)發(fā)射和運(yùn)動(dòng)，從而在低應(yīng)力或低外加應(yīng)力下導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕裂紋形核，最終可能導(dǎo)致材料發(fā)生脆性斷裂。同時(shí)附加拉應(yīng)力越大，表明薄膜的應(yīng)力腐蝕敏感性越強(qiáng)，應(yīng)力腐蝕裂紋形核需要的外加拉應(yīng)力也就越小，材料越容易發(fā)生脆性斷裂。因此僅僅了解材料服役時(shí)的臨界應(yīng)力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，測(cè)量薄膜的應(yīng)力腐蝕敏感性對(duì)材料的服役安全性同樣至關(guān)重要。目前應(yīng)力腐蝕敏感性都是通過(guò)附加應(yīng)力來(lái)表征，而附加應(yīng)力主要通過(guò)在腐蝕性介質(zhì)中材料的撓度表征。

如今，國(guó)家正大力發(fā)展“材料基因組”工程，它的核心思想是實(shí)現(xiàn)材料庫(kù)的高通量實(shí)驗(yàn)，即通過(guò)一次實(shí)驗(yàn)獲得大量數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的快速表征。組合材料芯片技術(shù)是項(xiàng)曉東團(tuán)隊(duì)在1995年提出來(lái)的一種高通量樣品制備技術(shù)，利用多個(gè)不同材料的靶材，通過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)，能夠在一塊基片上制備成百上千種不同成分的薄膜。它可以以任意元素為基本單元，組合集成多達(dá)10~10⁸種不同成分、結(jié)構(gòu)、物相等材料樣品庫(kù)，并利用高通量表征方法快速獲得材料的成分、結(jié)構(gòu)、性能等信息，以實(shí)驗(yàn)通量的大幅度提高帶來(lái)研究效率的根本轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)材料搜索的“多、快、好、省”。

目前，應(yīng)力腐蝕敏感性的測(cè)量?jī)H限于金屬材料，在薄膜領(lǐng)域還沒(méi)有開(kāi)展過(guò)相關(guān)性能研究，但是應(yīng)力腐蝕敏感性也是薄膜材料服役時(shí)的一項(xiàng)重要參數(shù)，薄膜具有較小的應(yīng)力腐蝕敏感性就使其在服役過(guò)程中不易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。同樣測(cè)量附加拉應(yīng)力值可以預(yù)測(cè)薄膜材料能夠承受的真實(shí)外加應(yīng)力值，確保材料在安全環(huán)境下服役。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種可以快速檢測(cè)薄膜材料應(yīng)力腐蝕敏感性的方法，這樣就可以快速篩選出組合材料芯片制備的多種成分薄膜中應(yīng)力腐蝕敏感性較低的成分配比，用于組合材料芯片試樣的應(yīng)力腐蝕敏感性的快速檢測(cè)方法。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

組合材料芯片應(yīng)力腐蝕敏感性的快速檢測(cè)方法，所述檢測(cè)方法包括以下步驟：

步驟1：以可溶性材料作為鍍膜基體，鍍膜前在基體表面遮蓋掩膜，然后再進(jìn)行鍍膜，使基體表面獲得5～1200種不同成分的薄膜樣品；鍍膜在超高真空鍍膜機(jī)中進(jìn)行鍍膜，鍍膜流程由計(jì)算機(jī)控制，通過(guò)設(shè)計(jì)使基體表面獲得多種不同成分的薄膜，如采用銅鉻兩種靶材，就可以通過(guò)設(shè)計(jì)使氯化鈉單晶表面獲得不同銅鉻配比的薄膜材料。

步驟2：將步驟1制得的薄膜樣品取出后放入溶液中浸泡，去除鍍膜基體，使薄膜從基體上剝離，然后將薄膜撈出吹干、干燥后待用；

步驟3：在步驟2制備的所有薄膜的背面均勻涂上一層防腐膠，將單晶硅片反光鏡粘貼在防腐膠層下端的一側(cè)，粘貼單晶硅反光鏡的目的是，作為薄膜下邊緣撓度讀取時(shí)的參照物；去除薄膜正面的鈍化膜并清洗干凈后，將薄膜上端用夾具固定、自然懸掛，各不同成分薄膜樣品等間距規(guī)則排列；

步驟4：用尺讀望遠(yuǎn)鏡調(diào)整零點(diǎn)后，將各不同成分薄膜樣品放入腐蝕性介質(zhì)槽中，用尺讀望遠(yuǎn)鏡讀取各不同成分薄膜下端反光鏡一側(cè)的撓度，由此計(jì)算薄膜表層的附加應(yīng)力，從而判斷不同成分薄膜的應(yīng)力腐蝕敏感性強(qiáng)弱。隨著自然腐蝕的進(jìn)行，薄膜的正面（CD面）由于與腐蝕液直接接觸會(huì)發(fā)生鈍化，薄膜背面（AB面）由于防腐膠的保護(hù)不發(fā)生鈍化。在形成鈍化膜的過(guò)程中鈍化膜與薄膜界面會(huì)產(chǎn)生附加拉應(yīng)力，薄膜的自由端（AD端）會(huì)發(fā)生彎曲，用望遠(yuǎn)鏡觀(guān)察每種薄膜A端的撓度，然后根據(jù)Stoney法可以計(jì)算薄膜表層的附加應(yīng)力。比較附加應(yīng)力值就可以獲得不同成分薄膜的應(yīng)力腐蝕敏感性的強(qiáng)弱，實(shí)現(xiàn)組合材料芯片試樣的應(yīng)力腐蝕敏感性的快速檢測(cè)。

所述組合材料芯片應(yīng)力腐蝕敏感性的快速檢測(cè)方法的優(yōu)選技術(shù)方案為，步驟1中所述鍍膜基體為氯化鈉單晶；步驟2中去除鍍膜基體的溶液為去離子水或無(wú)水乙醇。

所述組合材料芯片應(yīng)力腐蝕敏感性的快速檢測(cè)方法的優(yōu)選技術(shù)方案為，，步驟1中所述鍍膜由計(jì)算機(jī)控制，使鍍膜基體表面獲得8～10種不同成分的薄膜。

所述組合材料芯片應(yīng)力腐蝕敏感性的快速檢測(cè)方法的優(yōu)選技術(shù)方案為，步驟3中所述防腐膠為1720防腐膠。

所述組合材料芯片應(yīng)力腐蝕敏感性的快速檢測(cè)方法的優(yōu)選技術(shù)方案為，步驟1中鍍膜前在基體表面遮蓋掩膜，獲得尺寸相同，外緣整齊但成分不同的薄膜。

所述組合材料芯片應(yīng)力腐蝕敏感性的快速檢測(cè)方法的優(yōu)選技術(shù)方案為，步驟1所述薄膜樣品的厚度為10um以上。

所述組合材料芯片應(yīng)力腐蝕敏感性的快速檢測(cè)方法的優(yōu)選技術(shù)方案為，步驟3中所述單晶硅片反光鏡的尺寸為4×4mm。

所述組合材料芯片應(yīng)力腐蝕敏感性的快速檢測(cè)方法的優(yōu)選技術(shù)方案為，步驟4所述薄膜表層的附加應(yīng)力的計(jì)算方法為Stoney法。

所述組合材料芯片應(yīng)力腐蝕敏感性的快速檢測(cè)方法的優(yōu)選技術(shù)方案為，步驟2所述薄膜為長(zhǎng)方形，其尺寸為5~8mm×50~60mm×10~15um，便于進(jìn)行應(yīng)力腐蝕敏感性實(shí)驗(yàn)要求。

本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下有益效果：

本發(fā)明使用組合材料芯片技術(shù)制備薄膜材料的數(shù)量可以達(dá)到上千種，能夠滿(mǎn)足薄膜材料的應(yīng)力腐蝕敏感性的高通量快速檢測(cè)；本發(fā)明使用組合材料芯片技術(shù)制備薄膜材料的形狀可以根據(jù)掩膜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變；可以直接通過(guò)觀(guān)察撓度就可以比較薄膜的應(yīng)力腐蝕敏感性，操作簡(jiǎn)單，易于觀(guān)察；應(yīng)力測(cè)量直接在溶液中完成，不需要將薄膜取出，這樣就可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力的階段性原位測(cè)量。

附圖說(shuō)明

圖1 實(shí)施例的鍍膜工藝流程示意圖；

圖2 實(shí)施例的應(yīng)力腐蝕敏感性測(cè)量示意圖；1為腐蝕性介質(zhì)槽，2為硅片反光鏡，3為薄膜樣品，4為薄膜樣品背面涂的1720防腐膠，5為夾具；

圖3 實(shí)施例中不同成分薄膜撓度圖；

圖4 圖3的局部放大圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供一種組合材料芯片應(yīng)力腐蝕敏感性的快速檢測(cè)方法，具體檢測(cè)方法包括如下：制備薄膜樣品的基體選擇氯化鈉單晶，基體尺寸為100×100×2（mm），采用銅鉻雙靶磁控共濺射法通過(guò)掩膜在基體上鍍上八種不同銅鉻成分的長(zhǎng)條狀薄膜，如圖1所示，從左至右，銅的成分從0%逐漸增加100%，相應(yīng)的鉻的成分100%減小到0%。然后將薄膜從基體上剝離，將所有薄膜一端用夾頭固定住后，浸入1mol/L NH4OH+5g/L CuCl₂溶液中，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，不同成分薄膜的撓度不同，并與成分的變化關(guān)系密切，從而根據(jù)Stoney法可以評(píng)價(jià)每種薄膜的應(yīng)力腐蝕敏感性強(qiáng)弱。具體包括以下步驟及工藝條件：

（1）鍍膜：將表面清潔后的氯化鈉單晶基體放入超高真空鍍膜機(jī)中，靶材選擇銅靶和鉻靶，采用共濺射的方法，濺射角度選擇為45o，濺射功率均為300W，鍍膜時(shí)間設(shè)置為8小時(shí)。

（2）將鍍完膜后的樣品取出后放入無(wú)水乙醇中浸泡，氯化鈉單晶會(huì)發(fā)生溶解而薄膜不會(huì)溶解，這樣就能夠使薄膜從基體上剝離，然后將薄膜從溶液中撈出吹干放入干燥箱中待用，薄膜尺寸約為5mm×50mm×10um。

（3）如附圖2所示，在制備的所有薄膜的背面（AB面）均勻涂上一層很薄的1720防腐膠，并在A(yíng)B面的下方A處均貼上一塊4×4（mm）的單晶硅片反光鏡。用丙酮清洗薄膜正面（CD面）后去除表面鈍化膜，取出后立即用無(wú)水乙醇清洗干凈，并將薄膜上端（BC端）用夾具固定，使薄膜自然懸掛，薄膜等間距規(guī)則排列。

（4）用尺讀望遠(yuǎn)鏡調(diào)整零點(diǎn)后，立即將所有薄膜垂直插入含有1mol/L NH4OH+5g/L CuCl₂的玻璃槽中，薄膜浸入深度為40mm，在這種溶液中，Cu元素會(huì)發(fā)生鈍化，形成鈍化膜，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力，而Cr元素在這種溶液在不會(huì)發(fā)生鈍化，因此也不會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力。薄膜的正面（CD面）由于與腐蝕液直接接觸會(huì)發(fā)生鈍化，薄膜背面（AB面）由于防腐膠的保護(hù)不發(fā)生鈍化，在形成鈍化膜的過(guò)程中鈍化膜與薄膜界面會(huì)產(chǎn)生外加拉應(yīng)力。因此AB面會(huì)鼓出,CD面凹陷，用望遠(yuǎn)鏡觀(guān)察每種薄膜A端的撓度，然后根據(jù)Stoney法可以計(jì)算薄膜表層的附加應(yīng)力。比較附加應(yīng)力值就可以獲得不同成分薄膜的應(yīng)力腐蝕敏感性的強(qiáng)弱，實(shí)現(xiàn)組合材料芯片試樣的應(yīng)力腐蝕敏感性的快速檢測(cè)。

經(jīng)過(guò)鍍膜后的長(zhǎng)方形薄膜放入1mol/L NH4OH+5g/L CuCl₂的浸蝕溶液中，一定時(shí)間后，除純Cr薄膜外，其他成分的薄膜都會(huì)發(fā)生一定程度的彎曲，并且隨著浸蝕時(shí)間的增加，撓度不斷增加。對(duì)比不同程度的薄膜的撓度，發(fā)現(xiàn)隨著Cu成分的增加，薄膜的撓度也不斷增加，主要原因是由于Cu含量的增加，鈍化效果更加明顯，產(chǎn)生的附加應(yīng)力也就越大，應(yīng)力腐蝕敏感性也越強(qiáng)，薄膜發(fā)生應(yīng)力腐蝕需要的外加應(yīng)力也就越小。具體薄膜的撓度如圖3所示。