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薄膜與機械性質實驗室

           

負責人

李志偉 老師

負責人分機

4437

地點

薄膜中心2F

實驗室分機

4482

簡介

本實驗室以薄膜之機械性質研究為重點,使用三套機械性質測試設備,包括刮痕試驗機Pin-on-Disk磨耗試驗機薄膜衝擊試驗機(薄膜壽命量測系統)各一套。刮痕試驗機可測量薄膜與基材間或是薄膜本身的結合力,記錄刮痕過程之正向力、側向力、磨擦係數與音波放射訊號,並透過光學顯微鏡分析觀察對應刮道之微結構以分析發生破裂點的最小負荷,稱為臨界荷重(critical load,Lc)。磨耗試驗機可測量各式材料的磨擦係數與耐磨耗特性,可記錄磨耗過程之正向力(F)、側向力(L)、磨擦係數、磨耗深度、磨耗長度(S)、溼度與溫度等數據,並計算出薄膜之摩擦係數(m)、磨耗體積(WS)與磨耗率(WR)。

薄膜衝擊試驗機可評估薄膜對於長時間低荷重的耐衝擊能力,透過不同之測試荷重與衝擊頻率,可以獲得薄膜之耐衝擊與對應之疲勞壽命性質。

研究遠景

本實驗室將結合材料系之奈米壓痕儀(Nanoindenter)進行各種薄膜材料相關機械性質的研究,材料種類包括有機高分子薄膜、金屬薄膜、金屬玻璃薄膜、合金薄膜、氮化物薄膜、氧化物薄膜、碳化物薄膜與、碳氮化物薄膜與氮氧化物薄膜等。本實驗室設備將可提供本校各相關系所師生進行薄膜材料機械性質的研究,同時可進行跨校的學術合作與產學合作服務,並整合本中心其他實驗室設備進行各種類的光電、半導體、磁性、光學與機械領域應用的薄膜機械性質研究與分析。

 

 

 

 

   

管理者:王思卜 (#4436)、洪毓琪 (#4436)

設備原理

       刮痕試驗儀可用來測量薄膜與基材間或是薄膜本身的結合力;藉著使用漸進式或固定式正向力將鑽石探針於鍍層表面畫出特定長度之單一或多道次直線刮痕,並記錄刮痕過程之正向力、側向力、磨擦係數與音波放射訊號,本設備可透過光學顯微鏡分析觀察對應刮道之微結構。並根據音波訊號、磨擦係數與刮痕微結構分析發生破裂點的最小負荷,稱為臨界荷重(critical loadLc)。此臨界荷重即可作為薄膜結合力測量的標準。

 

                     

儀器功能:

1.鑽石探針   2.控制頭   3.主軸   4.基座Y 軸   5.基座X 軸   6.底座   7.水平儀        8. 試片夾持座

                       

實驗之數據:

1.正向力、側向力、磨擦係數:

 

2.刮痕微結構(光學顯微鏡):

 

 

 

 

     

管理者:王思卜 (#4436)、洪毓琪 (#4436)

設備原理

磨耗試驗儀可測量各式材料的磨擦係數與耐磨耗特性,尤其對於薄膜機械性質的評估具有極重要的應用。本設備屬於 Pin-on-Disk磨耗試驗,使用特定之正向力荷重與轉速,將碳化鎢或氧化鋁磨球於材料表面磨出特定半徑(R)與磨耗長度的磨道,本設備可記錄磨耗過程之正向力(F)、側向力(L)、磨擦係數、磨耗深度、磨耗長度(S)、溼度與溫度。本設備透過下列公式可計算摩擦係數(m)、磨耗體積(WS)與磨耗率(WR)

         

以上公式中的tb分別是磨耗深度與磨道寬度,可分別由本設備與表面輪廓儀測量而得。

                             

 

儀器功能:

1.正向力荷重:1~60 N                                 

2.側向力荷重:1 mN

3.轉速:自1 rpm600 rpm

4.深度解析度:0.1 mm

5.溫度範圍:-30~80 oC

6.相對溼度範圍:10~95 RH%

實驗之數據:

1.磨擦係數與磨耗深度:

 

 

 

 

         

管理者:王思卜 (#4436)、洪毓琪 (#4436)

設備原理

薄膜衝擊試驗機(或稱為薄膜壽命量測儀)可進行薄膜的耐衝擊疲勞壽命的測量,對於薄膜機械性質的評估具有極重要的應用。本設備使用特定之正向衝擊力、衝擊頻率、衝擊次數與衝擊距離,將碳化鎢球在薄膜表面連續撞擊數千至數十萬次,並須於特定衝擊次數之後使用顯微鏡觀察薄膜表面衝擊痕跡之破損面積比例,或是變形體積,並畫出衝擊力量對衝擊次數的曲線。並再透過掃描式電子顯微鏡/能量散佈光譜儀(SEM/EDS)分析薄膜破壞形貌來評估其抗衝擊性能的好壞。

                          

失效面積比例   

(FA為失效面積CA為整體衝擊面積)

 

儀器功能:

1.最大正向衝擊力: 2Kgf ;

2.最大衝擊頻率: 2KHz;

3.最大加速度: 23G ;

4.最大位移量: 2mm ;

5.最大計次達999999;   

實驗之數據:

衝擊試驗後的試片表面形貌:

                                                                        (a)                                                  (b)

TiAlN/CrSiN奈米多層薄膜(總厚度1mm,雙層週期厚度30 nm)經過正向衝擊力4N衝擊(a)10000次與(b)15000 次的衝擊試驗凹痕影像(SEM)。由圖中可發現經過衝擊10000次之後,薄膜表面沒有破裂痕跡,但經過衝擊15000次之後,薄膜則開始出現些許破裂痕跡(如箭頭所示),但是基材仍未露出,顯示極佳耐衝擊能力。

 

 

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