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TiNi形状记忆合金薄膜显微结构及相变行为研究

刘晓鹏  
【摘要】: TiNi形状记忆合金薄膜被认为是目前微机械领域中较有发展前景的一种大应力、应变和高单位功密度的微驱动器材料,对它的研究和开发必将推动微电子机械系统的发展,为人类探索和操作微观世界提供一种有效的工具。本文从微驱动材料TiNi薄膜的相变行为对微驱动器性能影响出发,采用电阻法、DSC、XRD、TEM等手段,研究了TiNi非晶薄膜晶化过程、热处理、热循环以及预变形等对TiNi薄膜相变行为的影响。此外,从压电陶瓷/形状记忆合金复合膜具有大应变高响应频率特性出发,对复合膜的制备工艺进行了初步研究,主要结论如下: 1.磁控溅射方法制备的TiNi非晶薄膜必须在450℃以上进行晶化处理,晶化过程伴随有电阻的异常变化;电阻法比DSC法能更精确的反映TiNi非晶薄膜晶化过程显微结构的变化。 2.随热处理温度升高,Ti_(51)Ni_(49)薄膜R相变温度变化不大,而马氏体相变温度升高,R相变和马氏体相变热滞增大;Ti_(49.4)Ni_(50.6)薄膜R相变温度降低,马氏体相变温度升高,R相变和马氏体相变热滞降低。从制作微驱动器元件考虑,Ti(51)Ni_(49)和Ti_(49.4)Ni_(50.6)薄膜应分别在550℃退火和500℃时效处理,以降低TiNi薄膜相变热滞,提高TiNi薄膜微驱动器元件温度响应灵敏度。 3.随热循环次数增加,550℃,0.5 h退火处理Ti_(51)Ni_(49)薄膜相变热滞增加,马氏体和R相变温度升高,30次循环后稳定;500℃,0.5 h时效处Ti_(49.4)Ni_(50.6)薄膜相变热滞增加,马氏体相变温度降低,10次循环后稳定。因此用Ti_(51)Ni_(49)和Ti_(49.4)Ni_(50.6)薄膜作微驱动器元件时,使用前必须至少进行30次热循环,以保证微驱动器的热性能稳定。 大连理工大学博土学位论文 4.TINi薄膜马氏体小应变变形时,内部显微结构变化为(011)厂型相变孪晶去 孪晶化和大量N)形变复合孪晶形成过程;Th川。薄膜的最大可恢复应变为 4.5%,但塑性应变在总应变大于4%后迅速增加。 5.随预应变量增大,TINt薄膜的第一次逆相变温度升高,相变热滞增大,马氏 体相变温度降低,R相变温度无明显变化。因此用T豆卜薄膜作微驱动器元件时, 若利用时B变,可以不考虑变形对微驱动器元件性能的影响,而利用马氏体相变 时,TINt薄膜的最大应变应控制在3%以下。 6.不完全相变导致*Z薄膜第二次加热出观叹逆相变,但第三次逆相变又重新 恢复为单一逆相变转变,因此对于TINt薄膜微驱动器元件来讲,可以不考虑不完 全相变对微驱动器元件性能的影响。 7.通过采用原位水热+solgel复合合成法,在TINt基体上成功制备了结构较 为致密的PbTio。陶瓷薄膜,该方法制备的陶瓷薄膜与基体之间界面结合力为65 N,比采用solgel法制备陶瓷簿膜的界面结台力提高2倍。


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