[发明专利]一种基于分子动力学的金刚石涂层膜基界面结合强度测量方法

说明书

技术领域

    本发明涉及一种定量检测硬质合金基底上金刚石涂层膜基界面结合强度的测试技术，特别是一种采用分子动力学方法测量金刚石涂层膜基界面结合强度的测试技术，属于机械表面效应与表面技术领域。

背景技术

金刚石因具有高硬度、高导热系数、低摩擦系数、低热膨胀系数、和化学稳定性好等优异性能而成为理想的工具材料，在金刚石涂层切削刀具领域得到了广泛的应用，但目前仍未实现规模化生产。其主要原因之一是：关于金刚石涂层内在质量（主要是力学性能）尤其是对膜基界面结合强度评价缺乏统一标准。已有技术中，包括压痕测试法、垂直拉伸法和刮剥式测量法等。其中压痕测试法是一种应用最广、操作简单、结果较为直观的定性测量方法，它把一个硬压头（一般为天然金刚石单晶压头）以一已知的负载压入材料中，然后再测量由此在材料中残留的压痕面积或深度，压头的压入会产生一个半球状塑性区，把材料向外挤出并在涂层的周围产生压应力，假如涂层将会发生起泡、剥离及从基体向上弯曲等现象，则这些压应力能够得到释放，该方法只能定性地比较涂层附着力的大小。而垂直拉伸法则可以较直观地给出化学气相沉积（CVD）金刚石涂层的附着力，它采用一对拉伸杆分别同心地与金刚石涂层表面及基体背面用环氧树脂粘结牢固，测量用来拉离粘贴在基体上涂层所需的应力以确定金刚石涂层附着力的一种方法，测试的结果受所加应力的角度变化和粘结胶的厚度影响大，而且，测试的范围也受粘结胶的粘结强度所限制。刮剥式测量法则是使用特制的刮剥刀具，以与刮削相类似的加载方式将涂层沿涂层/基体界面从基体上剥离下来，并以剥离涂层过程中所消耗的能量作为涂层/基体间膜基界面结合强度量度的测量方法。由此可以看出，上述方法都是定性、间接地描述涂层的附着力，测试范围受膜基界面结合强度大小、基体形状等因素限制，相互之间缺乏可比性。因此，要使金刚石涂层材料真正应用到刀具领域并实现产业化生产，必须要有完善的对金刚石涂层膜基界面结合强度进行直接定量检测的技术来作保证。

上述研究方法都是建立在宏观尺度上的，可以对金刚石涂层膜基界面的力学性能给出定性或定量分析，由于膜基界面的作用机理非常复杂，如图2，包括微粒间的内嵌力，原子间的范德华力，此外，涂层厚度，界面温度，晶向等都会对金刚石涂层膜基界面结合强度造成影响，宏观研究方法很难精确测量金刚石涂层膜基界面结合强度。分子动力学方法能够在宏观和微观特性之间架起一座桥梁，被认为是本世纪以来除理论分析和实验观察之外的第三种科学手段，称之为“计算机实验”手段，以经典分子动力学理论为指导，以分子动力学仿真软件为平台，从微观上探究硬质合金基底金刚石涂层膜基界面的力学性能以及疲劳损伤机理已成为一种可能，从而为我们构建金刚石涂层膜基界面结合强度预测模型奠定基础，为相关涂层工艺优化和产业化开发提供科学依据。

发明内容

为克服现有金刚石涂层膜基界面结合强度检测方法不能进行精确定量检测及受基体形状限制等诸多不足, 本发明提供一种基于分子动力学的金刚石涂层膜基界面结合强度测量方法，该测量方法不仅能精确定量测定金刚石涂层的膜基界面结合强度，而且不受基体形状的限制，可方便地用于复杂形状基体金刚石涂层膜基界面结合强度测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用分子动力学理论及其仿真计算方法研究金刚石涂层膜基界面的力学性能，即通过构建金刚石涂层膜基界面三维模型、对模型膜基界面力学性能的分子动力学仿真、构建金刚石涂层膜基界面结合强度预测模型等实现对金刚石涂层膜基界面结合强度的精确测量与评价。具体步骤如下： 

(1)基于分子动力学仿真软件(Materials Studio)建立硬质合金基底金刚石涂层膜基界面模型，首先在建模环境中建立三维坐标系，以（0,0,0）为基点，分别建立金刚石单晶胞模型和WC单晶胞模型，设定金刚石晶体晶向，并根据所要建立模型的大小，将金刚石单晶胞沿三维坐标系的X轴，Y轴和Z轴方向扩充至m，m，p个，将WC单晶胞沿三维坐标系的X轴，Y轴和Z轴方向扩充至n，n，q个，分别构建金刚石超晶胞模型和WC超晶胞模型，采用Materials Studio软件中的layer指令，建立金刚石涂层膜基界面模型，基底为WC超晶胞，涂层为金刚石超晶胞；