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基于铬配对金属薄膜的界面力学性能测试及其数值模拟

李春  
【摘要】: 伴随着当今社会的快速发展,电气、电子装置等设备正逐步向着高性能、多功能、高速度方向发展,同时信息处理能力速度也在急速提高,这些必然要求系统向着大规模、大容量以及大型化方向发展。与此相对,在微机电系统中,却要求构成系统的装置、零部件、材料等具备轻、薄、短、小等方面的特点。金属纳米薄膜材料及其相关工艺便在这些需求下得到了飞速的发展,其中双层纳米金属薄膜由于在结构上与单层膜具有较大的差异,具备单层膜难以达到的一些性能,如提高硬度和摩擦磨损性能,改善涂层的韧性、抗裂纹扩展能力和热稳定性等,这些使得人们越来越关注其在纳米尺度下结构及其力学性能的研究。 本文利用磁控溅射方法制备了Cu/Cr、Cr/Al、W/Cr、Al/Cr四组基于Cr膜配对的金属双层纳米薄膜,并对其进行了微结构以及力学性能测试的研究;在Cr/Al金属双层纳米薄膜压痕实验的基础上,应用有限元分析的方法对其进行了仿真研究。主要研究工作如下: 1.利用纳米压痕实验测试研究了Cu/Cr、Cr/Al、W/Cr、Al/Cr四组金属双层纳米薄膜,得出了四组双层膜的弹性模量值和硬度值,并且根据弹性模量和硬度随着压深的不同而呈现出的变化趋势,研究了双层膜中膜-膜界面、膜-基界面的结构;并且对比了热循环载荷前后Cu/Cr、Al/Cr两组金属双层纳米薄膜的压痕测试结果,研究了热循环载荷对于双层膜力学性能的影响,发现对于Cu/Cr双层膜而言,经过热循环载荷后的弹性模量值和硬度值均高于热循环前。但是对于Al/Cr双层膜而言,却相反,即热循环载荷后的弹性模量值和硬度值均低于热循环前。 2.利用纳米划痕实验测试研究了W/Cr、Cr/Al两组金属双层纳米薄膜,近似得出了双层膜中膜-膜界面、膜-基界面的界面结合力。并且对比了热循环载荷前后的划痕测试结果,分析了热循环载荷对双层膜中界面结合力的影响,发现热循环载荷降低了W/Cr双层膜中膜-膜界面以及膜-基界面处的结合力;但是热循环载荷却能够提高Cr/Al双层膜中膜-基界面处的结合力,从而使得Cr/Al双层膜中各组成膜间能够形成良好的界面结构。 3.利用有限元仿真的方法,在Cr/Al金属双层纳米薄膜纳米压痕实验的基础上,对其进行数值模拟,发现最大应力集中在压头附近,并且应力主要集中在双层膜膜层内部,双层膜对衬底具有一定的保护作用;并且得出了双层膜中界面处和膜的表面处Y方向的应力随着x方向增加而减小,压头正下方Y方向的应力随着Y方向的增加而出现先缓慢增加后线性减小的趋势。


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