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若干金属纳米多层膜界面结构及力学性能研究

朱晓莹  
【摘要】:近年来,新型功能材料及器件向小型化,集成化和复合化发展的趋势,使得尺寸在纳米尺度的层状材料和柔性多层器件在使用过程中的服役行为成为其发展的关键科学问题。本文采用超高真空电子束蒸发镀膜工艺制备了fcc/fcc体系Cu/Ni和Cu/Co纳米多层膜及fcc/bcc体系Cu/Nb和Ag/Fe纳米多层膜,研究了纳米多层膜力学性能与其微结构,尤其是界面结构之间的关系,探讨了纳米多层膜在不同尺度范围的塑性变形机制。 研究结果表明,具有完全共格界面的Cu/Ni和Cu/Co纳米多层膜的强度值与其共格界面上的共格应力相等,在实验上证实了共格应力是决定fcc/fcc超晶格结构纳米多层膜强度最大值的关键因素。Cu/Nb纳米多层膜的强度最大值为3.27GPa,是Cu/Nb纳米多层膜强度平均值的2.1倍,表现出很大的强化效应。此外,变加载应变率硬度实验证明Cu/Nb纳米多层膜的超高强度与大的应变硬化有关。论文中所研究的金属纳米多层膜的强度(或硬度)在周期变化范围内均随周期的减小而增大,表现出强化效应。Cu/Ni、Cu/Co和Cu/Nb纳米多层膜在大周期时的塑性变形机制为单个位错在层内滑移机制;在小周期时,塑性变形机制转变为位错穿越界面机制。Ag/Fe纳米多层膜的硬度随周期的变化符合类Hall-Petch关系。 论文中所研究的金属纳米多层膜的弹性模量在周期变化范围内均超过了弹性模量平均值,表现出弹性模量增强。Cu/Nb纳米多层膜的弹性模量比弹性模量平均值最大增加38%,不对称的界面结构是导致Cu/Nb纳米多层膜出现异常弹性模量增大的主要原因。对fcc/fcc超晶格结构Cu/Ni和Cu/Co纳米多层膜来说,弹性模量增强与半共格界面的界面压应力以及共格界面的共格应力相关。界面压应力是Ag/Fe纳米多层膜的弹性模量在小周期增大的主要原因。 本论文所研究的金属纳米多层膜的室温蠕变机制都是位错滑移-攀移机制。非共格界面为位错的攀移运动提供了有效的扩散通道,Cu/Nb和Ag/Fe多层膜的蠕变抗力随周期减小而减小。相反,共格界面的形成不利于位错的攀移运动,Cu/Ni和Cu/Co多层膜的蠕变抗力随周期减小而增大。提出的基于位错在半共格界面上增殖和回复的动态平衡位错模型能合理地解释在大周期具有半共格界面的Cu/Ni和Cu/Co纳米多层膜的稳态室温蠕变过程。


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