电刷镀大块纳米铜的制备及力学性能研究

【摘要】：本文采用改进的电刷镀技术,制备了高冶金质量,具有真正纳米晶结构的大块纳米样品,对电刷镀纳米铜显微结构等进行了全面表征,利用室温拉伸和拉伸蠕变、压缩和压缩蠕变以及应变速率跳跃试验测定了电刷镀纳米铜的全面力学性能,重点研究了应变速率、变形模式对全面力学性能的影响,对相关的塑性变形机制进行了分析。研究工作得到了如下结论: 1.利用改进的电刷镀技术制备了高冶金质量,具有真正纳米晶结构的大块纳米铜样品。镀笔由棉花和丙纶布包裹的不锈钢(AISI304)构成。镀液由CuSO_4·5H_2O, NH_4NO_3, C_6H_8O_7·H_2O和少量添加剂组成。电刷镀时镀液中的[Cu(NH_3)_6]~(2+)络合物离子在超电压的作用下,获得电子而还原,形成纳米铜沉积。沉积层首先以二维形式形核张大,然后以三维方式成长。电刷镀纳米铜沉积结构受基体表面状态影响,高的表面质量有益于得到高质量的纳米铜沉积结构。添加剂的使用可控制沉积层的晶粒尺寸,抑制粗大晶粒簇等结构的形成。镀笔与沉积表面摩擦作用增加形核率,并有净化表面的作用。适当地控制直流电压、温度、镀笔运动速度和镀液流量等工艺参数可获得高质量的大块纳米铜样品。 2.利用X-衍射分析、扫描电子显微镜、场发射扫描电子显微镜,透射电子显微镜的设备,对电刷镀纳米铜表面沉积形态、显微结构、成分、密度等进行全面表征工作。结果显示,电刷镀纳米铜为等轴晶 粒结构,平均晶粒尺寸为26nm,且尺寸分布均匀,主要为大角度晶界结构,不存在微观裂纹和微孔和明显的晶体织构,平方根微应变为0.28%。电刷镀纳米铜沉积表面光滑,粗糙度低,具有良好的覆盖性和平整性。电刷镀纳米铜的密度为8.93g/cm3,纯度为99.73wt%。表明研制的电刷镀纳米铜是一种真正意义上的纳米晶材料。3.室温拉伸蠕变实验显示,电刷镀纳米铜在低应力下发生Coble蠕变,随应力的增加发生指数型蠕变(应力指数为n = 1/m=4.11)。两种蠕变变形均没有门槛应力。Coble蠕变的最高应力对应于最低应变速率下拉伸屈服强度。高应力下(325MPa)的蠕变断裂是由于较高的蠕变应变和缺少应变硬化作用所致。室温拉伸实验显示,电刷镀纳米铜具有非常高的应变速率敏感性,其值为=0.104,该值为迄今为止所有纳米金属的最高室温m值。在试验的应变速率范围,极限抗拉强度从296MPa增加到865MPa,断裂延伸率从5.6%下降到3.4%,较低的塑性是由于电刷镀纳米铜的大角度晶界结构。变形机制分析表明,电刷镀纳米铜的塑性变形主要由晶界滑移控制,高应变速率时还包括位错交互产生的贡献。m4.室温压缩蠕变实验显示,电刷镀纳米铜在低应力时发生Coble蠕变,随应力的增加发生两种形式的指数型蠕变(应力指数分别为=4.41和11.24),后一种蠕变的m值与压缩试验第一阶段m值非常接近。三种蠕变均没有门槛应力。室温压缩试验显示,电刷镀纳米铜同样具有非常高的应变速率敏感性,低应变速率时的m值为=0.084,高应变速率时的m值为0.036;两个应变速率区的流变应力激活体积n =1/mmν?分别为6.4b3和9.7b3。应变速率跳跃试验测得的m从0.18连续下降到0.018,ν?从4.6b3连续增加到33b3。在试验的应变速率范 围,对应2%塑性应变的强度从664MPa增加到1516MPa,后者是迄今为止所有纯铜最高的强度值。在高应变,电刷镀纳米铜表现出明显的流变软化现象,其软化程度与应变速率有关。变形机制分析表明,在低应变速率,塑性变形主要由晶界机制控制;在高应变速率,塑性变形主要由位错机制控制。这种变形机制转变源于应变速率对热激活作用的压制。随应变速率的增加,晶界机制作用的减小,位错机制贡献的增大导致大的强度增量,高应变速率时非常高的强度说明位错机制非常强的强化作用。高应变速率时的加强流变软化现象是由于绝热局部热软化作用。