TiNiPd高溫形狀記憶薄膜研究.pdf

1、TiNiPd 高溫形狀記憶薄膜的研究對(duì)于工作溫度處于 100℃C～200℃的微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)有著重要的意義。本文的工作著眼于TiNiPd形狀記憶薄膜的應(yīng)用基礎(chǔ)性研究，使用差示掃描量熱計(jì)(DSC)、動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀(DMA)、X射線衍射儀(XRD)、透射電子顯微鏡(TEM)以及磁控濺射儀，薄膜拉伸臺(tái)、形狀記憶應(yīng)變彎曲裝置等設(shè)備，從薄膜的制備、處理加工、晶化和氧化特性、形狀記憶特性、相變組織、拉伸及內(nèi)耗性能等諸方面對(duì) TiNiPd

2、 高溫形狀記憶薄膜進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。 利用合金靶磁控濺射技術(shù)輔助加補(bǔ)小Ti片成功制備了具有預(yù)定成分的大片TiNiPd自由薄膜。研究表明，TiNiPd 薄膜的成分控制規(guī)律與TiNi 薄膜的有很大區(qū)別，相比靶材的成分，薄膜中Pd量明顯減少而Ni量大大增加，Ti量的變化不大.添加Ti片可增加薄膜中的Ti量，但同時(shí)Ni量下降,而Pd量變化不大。 研究發(fā)現(xiàn)濺射功率影響薄膜中三組元的比例。濺射薄膜中的Ti含量隨濺射功率增大明

3、顯減小，但Ni和Pd的含量略有上升?；?lèi)型也影響濺射薄膜的成分。TiNiPd薄膜的濺射態(tài)為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，其原子排列比TiNi的要松散。 晶化溫度的研究表明自由薄膜的晶化溫度與基片類(lèi)型關(guān)系不大，但與成分有關(guān)，Ti含量增加或Pd含量減少都使晶化溫度升高。Ti的作用比Pd的更強(qiáng)。自由薄膜的晶化溫度基本在480℃～510℃，粘附于基片的薄膜則要高30℃～50℃。晶化前低于晶化溫度的預(yù)處理對(duì)晶化溫度影響不大。 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)TiNiPd

4、薄膜相比TiNi薄膜更易氧化，其短時(shí)氧化特性符合線性-拋物線規(guī)律。非晶態(tài)薄膜的氧化激活能比TiO<,2>的略低，晶態(tài)薄膜的則不到其半值，這是TiNiPd薄膜易氧化的一個(gè)原因。研究表明TiNiPd薄膜中的Pd原子促進(jìn)O原子和Ti原子結(jié)合，排斥氧化界面處氧化物中的Ti原子，導(dǎo)致薄膜中的Ti原子通過(guò)氧化界面向外擴(kuò)散。這是TiNiPd薄膜易氧化的主要原因。 著重研究考察了Ti<,51.5>Ni<,26.0>Pd<,22.5>薄膜的相變，

5、經(jīng)550℃1h 或 750℃1h或 750℃ 1h+450℃1h 處理的薄膜試樣在室溫以上溫度有馬氏體相變和逆相變。經(jīng)750℃ 1h晶化處理的薄膜相變溫度較高，在冷卻過(guò)程中顯現(xiàn)B2→B19一步相變。經(jīng)550℃1h晶化處理的薄膜相變溫度低，且有多次轉(zhuǎn)變,但都是B2→B19一步相變。 Ti<51.5>Ni<,26.0>Pd<,22.5>薄膜的室溫組織主要是B19馬氏體和部分殘留B2母相。處理工藝為550℃1h或750℃1h時(shí)，室溫

6、組成中殘留較多B2母相。經(jīng)750℃1h+4.50℃1h處理時(shí)，B2母相大大減少。B2相為等軸晶粒，B19馬氏體呈透鏡狀，內(nèi)部為孿晶和微孿晶。研究發(fā)現(xiàn)有兩種B19馬氏體，含Pd多的B19(p)和含Pd少而相對(duì)含Ni多的B19(n)，都為正交結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)略有差別。薄膜中的析出相主要是Ti<,2>Pd和T1<,2>Ni,Ti<,2>Pd大多分布在B2相的晶界上，在550℃1h處理試樣中出現(xiàn)很少，隨熱處理溫度的升高而增多。Ti<,2>Ni在7

7、50℃1h.+450℃1h處理試樣中明顯增多。 Ti<,51.5>Ni<,26.0>Pd<,22.5>薄膜的馬氏體相變溫度M<,S>可超過(guò)95℃,逆相變溫度A<,s>則在105℃以上。研究表明，隨晶化處理溫度升高，TiNiPd薄膜的M<,S>點(diǎn)升高。時(shí)效溫度變化和時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)對(duì)薄膜的M<,S>點(diǎn)影響不大，但影響馬氏體轉(zhuǎn)變量，溫度過(guò)高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)都使馬氏體轉(zhuǎn)變溫區(qū)擴(kuò)大并下移，導(dǎo)致薄膜中B2相殘留增多。 TiNiPd薄膜成分的

8、Ti/Ni比增加將有利于更多馬氏體在薄膜中形成。 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)TiNiPd薄膜經(jīng)高溫晶化處理后，再經(jīng)一定約束時(shí)效處理，可獲得雙程形狀記憶性能；直接在晶化溫度附近進(jìn)行低溫約束晶化處理，也可獲得雙程形狀記憶性能。無(wú)約束時(shí)效或高溫約束晶化處理的薄膜沒(méi)有形狀記憶效應(yīng)，再經(jīng)適當(dāng)約束時(shí)效也可獲得雙程形狀記憶性能。進(jìn)一步考察表明，時(shí)效處理的溫度過(guò)高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)都會(huì)使薄膜的形狀記憶性能變差?？刂萍s束直徑和對(duì)應(yīng)薄膜的約束應(yīng)變?cè)谧罴逊秶?，可使所處理的薄?/p>

9、具有良好的形狀記憶效應(yīng)。 研究表明Ti<,51.5>Ni<,26.0>Pd<,22.5>薄膜晶化及時(shí)效處理后拉伸時(shí)具有形狀記憶效應(yīng)，可恢復(fù)應(yīng)變最大可達(dá)0.5﹪。在室溫和80℃拉伸都出現(xiàn)應(yīng)力誘發(fā)馬氏體，顯示有偽彈性，偽彈性應(yīng)變回復(fù)量可達(dá)40﹪以上。晶化未時(shí)效的薄膜室溫拉伸斷裂應(yīng)力超過(guò)340MPa，斷裂應(yīng)變超過(guò)1.1﹪。室溫拉伸斷口顯示巖石狀脆斷。高溫拉伸斷口有塑性變形且隨溫度升高增多。晶化再經(jīng)時(shí)效的薄膜室溫拉伸呈現(xiàn)脆性特征，斷裂應(yīng)