| 题名 | Cu-Ta和Cu-Ni多层膜力学性能的研究 |
| 作者 | 朱晓飞 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2009-05-27 |
| 授予单位 | 中国科学院金属研究所 |
| 授予地点 | 金属研究所 |
| 导师 | 朱世杰 |
| 关键词 | 金属多层膜 柔性基体 尺寸效应 界面效应 屈服强度 塑性变形 断裂行为 疲劳性能 新测试方法 |
| 其他题名 | Mechanical properties of Cu-Ta and Cu-Ni Multilayers |
| 学位专业 | 材料物理与化学 |
| 中文摘要 | 由于组元层尺度的约束和层与层间异质界面的影响，与块体材料相比，多层膜材料往往表现出奇特的力学性能。多层膜材料力学行为的研究，不仅对微/纳米系统及器件的可靠性设计具有重要的指导意义，而且对揭示层状材料形变与断裂的微观机制具有重要的科学意义。本论文工作选取了分别具有fcc/tet和fcc/fcc层-层界面结构的Cu-Ta和Cu-Ni两种多层薄膜体系，系统地研究了单层厚度(λ)在10 nm至500 nm范围内上述两种多层膜的力学性能。重点考察了多层膜的微观结构尺寸、几何尺寸和界面结构对材料强度、形变与断裂行为及疲劳性能的影响规律。 单向拉伸实验结果表明，当单层厚度大于50 nm时，Cu-Ta多层膜的屈服强度随的减小而逐渐增加，并符合Hall-Petch强化关系；当λ=20 nm时，Cu-Ta多层膜的屈服强度达到最大值；当λ进一步减小时，多层膜的屈服强度达到饱和或略有下降。Cu-Ni多层膜的屈服强度随λ变化的趋势与Cu-Ta多层膜相类似。 拉伸加载的λ=10 nm的Cu-Ta多层膜中发生变形局部化，在局部化变形区中观察到晶界对齐现象。晶界路径起伏度的定量表征与理论计算表明，沿晶界对齐处的晶粒发生了晶界扩散辅助的晶界滑移和晶粒转动，由此协调了纳米尺度Cu-Ta 薄膜的塑性变形。 Cu-Ta和Cu-Ni两种多层膜的宏观断裂角随λ的减小而逐渐减小，且宏观断裂方式由正断逐渐转变为剪切断裂；λ=10 nm的Cu-Ta多层膜裂纹尖端变形区内发生了位移量为几纳米到几十纳米的离面剪切变形，最后导致多层膜发生剪切型断裂。提出了位错在层内运动和穿越界面运动的竞争机制，理论上证明了Cu-Ta和Cu-Ni等具有不同层-层界面结构金属多层膜在某一临界尺度(纳米尺度)下易发生剪切断裂的普遍规律。通过对位错塞积应力、薄膜断裂应力以及界面对位错穿越阻力的理论计算，解释了单层厚度变化引起的Cu-Ni多层膜断裂模式改变的物理本质。 Cu-Ta和Cu-Ni两种多层膜的疲劳强度随λ变化的趋势与屈服强度随λ变化趋势相同。相同总厚度和单层厚度下，Cu-Ta多层膜的疲劳抗力高于Cu-Ni多层膜。Cu-Ta多层膜疲劳损伤及裂纹扩展行为具有明显的尺寸效应。λ>100 nm的Cu-Ta多层膜中的疲劳损伤受位错滑移机制控制，位错在组元层通道中的连续滑移导致多层膜表面出现滑移状疲劳损伤；λ<100 nm的Cu-Ta多层膜的疲劳损伤逐渐以界面相关的损伤机制为主导，界面协调变形导致纳米尺度多层膜的组元层发生扭折变形或弓出变形的疲劳损伤。 Cu-Ta和Cu-Ni两种多层膜的弯曲实验结果表明，Cu-Ta多层膜的断裂韧性大于相同单层厚度Cu-Ni多层膜的断裂韧性。多层膜的裂纹间距与外加应变关系曲线表明，在第一阶段区域，随外加应变的增加裂纹间距迅速减小，且单层厚度越薄，裂纹间距减小的速度越快；在第二阶段区域，裂纹形成的速度明显减小，当外加应变达到某一临界值之后，裂纹间距近似达到饱和值，继续增加应变会引起多层膜发生脱层和翘曲。 根据电磁驱动原理，建立了金属薄膜/多层膜动态弯曲疲劳性能测试系统；提出了一种柔性基板上脆性薄膜材料临界断裂应变评价新方法，并建立了相应的计算模型和实验测试系统。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2012-04-10 |
| 页码 | 140 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/17171]  |
| 专题 | 金属研究所_中国科学院金属研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 朱晓飞. Cu-Ta和Cu-Ni多层膜力学性能的研究[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所. 2009. |
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