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多层膜与单层膜的残余应力关系推导及验证

多层膜；,残余应力,硬质薄膜,薄膜设计

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本研究由Stoney公式出发，推导了多层膜的残余应力计算公式。多层膜的残余应力等于内部各单层残余应力的权重平均值，并在非晶薄膜体系（梯度类金刚石多层膜）和晶态/非晶态薄膜体系（氮化铬/类金刚石多层膜）中进行了验证。通过电弧离子镀技术制备了多层和单层膜样品，利用表面轮廓仪、薄膜应力仪和扫描电镜分别对薄膜的厚度、残余应力和薄膜截面形貌进行表征。结果表明，推导的多层膜残余应力计算公式是正确的，能够对多层薄膜的设计提供指导。在本实验中利用该公式通过单层膜预测多层膜的残余应力，相对误差在0.2%-10.7%之间，可能与膜基界面错配引起的应力有关。特别地，对于交替多层膜，内部层数为偶数时，多层膜的残余应力为常数;内部层数为奇数时，多层膜的残余应力随层数的增加单调变化，逐渐接近层数为偶数时的常数值。