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《湘潭大学》 2010年
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镍/铝薄膜拉伸的分子动力学研究

郑德立  
【摘要】: 薄膜界面力学的研究为薄膜材料(器件)的断裂失效现象提供指导意义,薄膜材料(器件)的断裂失效通常发生在薄膜和基底结合的界面处,如何正确评价薄膜基底之间的界面结合性能是目前学术界及工程界广泛关注的热点问题之一。本论文采用三维分子动力学模拟方法,模拟了Ni/Al双金属薄膜系统在轴向拉伸的加载过程,对双金属界面系统在拉伸变形的过程中界面位错形貌结构的形成以及在拉伸过程中界面滑移位错的发射和初始位错结构对滑移位错发射的影响进行了分析,然后对不同温度下的加载进行了比较,最后对Ni/Al薄膜界面与Ni/Cu薄膜界面的弛豫后失配位错进行了比较。 对Ni/Al薄膜系统的拉伸加载过程的模拟结果表明:Ni/Al薄膜的拉伸过程与宏观材料类似,可以分为弹性变形和塑性变形两个阶段,在弹性变形过程中,应力随着应变的增加呈线性增长,而在塑性变形阶段,应力应变曲线会出现塑性流动。在弛豫结束后,Ni/Al薄膜界面的初始失配位错正在形成,三种不同的界面形成的初始失配位错网络不同,在Ni(001)/Al(001)界面,初始失配位错为方格状网络,位错线为均匀分布状态,在Ni(110)/Al(001)界面,位错为十分混乱的结构,非常无序,在Ni(111)/Al(001)界面,位错为折线型结构,分布均匀;在轴向加载的过程中,三种晶向结合的薄膜都有位错的发射,但不同的是其发射源不同,由于初始界面失配位错的影响,后续的滑移位错面的发射都在这些初始的位错线上发射出来,对于Ni(001)/Al(001)和Ni(111)/Al(001)界面系统,初始滑移位错发射均为在界面[110]和[110]方向上发出,并且发射的滑移位错面都是以{111}面为主,在位错扩展的过程中,各滑移面也出现有碰撞现象,碰撞后,影响到了位错交界区域的附近区域,致使出现了一少部分混乱的位错原子。然后在10K、50K、150K、300K温度下对其进行的轴向拉伸加载,结果表明在弹性阶段应力与应变的比率(弹性模量)逐渐降低,屈服强度也有了一定程度的降低。最后,对比Ni/Al薄膜系统与Ni/Cu薄膜系统的初始界面失配位错结构,发现在(001)/(001)界面为例的界面失配位错网络中,失配位错线的间距不同,这是由于两种晶格的晶格常数的失配度不同引起的,Ni/Al相对于Ni/Cu来说,失配度大,失配位错线密度大,位错线间距小,Ni/Cu则正好相反,失配度小,失配位错线密度小,位错线间距大。
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