金屬Cu-Ni微結(jié)構(gòu)調(diào)制薄膜的熱穩(wěn)定性與力學(xué)變形行為研究.pdf

1、作為一種新型工程材料，調(diào)制結(jié)構(gòu)薄膜賦予材料較大的性能可設(shè)計(jì)性，增強(qiáng)相的選擇成為一大核心問題，而深入研究和開發(fā)新型成分或微結(jié)構(gòu)調(diào)制的薄膜材料具有非常重要的意義。論文引入擴(kuò)散層和晶界作為強(qiáng)化相，對(duì)設(shè)計(jì)的新型調(diào)制結(jié)構(gòu)材料形變過程中的強(qiáng)化相和特殊晶界的微觀形變機(jī)制進(jìn)行研究。
　　論文采用電沉積技術(shù)（雙槽法）制備尺度均勻的Cu/Ni微米多層薄膜、晶粒規(guī)則排列的Ni薄膜和Cu薄膜。對(duì)Cu/Ni多層膜，經(jīng)過擴(kuò)散退火處理，實(shí)驗(yàn)獲得帶有擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)的

2、層狀調(diào)制復(fù)合材料，研究層狀界面、晶界、擴(kuò)散層等微觀組織設(shè)計(jì)控制的物理冶金基礎(chǔ)和力學(xué)變形行為；對(duì)晶粒規(guī)則排列的Ni薄膜和Cu薄膜材料，研究晶粒和晶界在力學(xué)變形過程中的行為方式與材料學(xué)基礎(chǔ)；通過兩種組元多層薄膜與熱擴(kuò)散退火實(shí)現(xiàn)材料的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立微米尺度薄膜材料的擴(kuò)散理論模型，闡明微米尺度調(diào)制復(fù)合薄膜材料的擴(kuò)散層、晶界和層狀界面共同作為增強(qiáng)體的材料強(qiáng)韌化機(jī)理與變形機(jī)制，同時(shí)對(duì)具有晶體學(xué)特殊取向的柱狀晶結(jié)構(gòu)材料，研究該材料的應(yīng)變硬化與軟化和

3、晶粒的形變微觀組織變化，指出晶粒尺寸和應(yīng)變速率是形成形變孿晶的重要因素。本論文的研究可以豐富材料微觀組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料強(qiáng)韌化理論，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值與應(yīng)用意義。
　　對(duì)Cu/Ni多層膜，DSC結(jié)果表明：在550℃左右開始出現(xiàn)明顯的放熱峰，對(duì)應(yīng)擴(kuò)散誘導(dǎo)再結(jié)晶溫度。根據(jù)不同升溫速率下對(duì)應(yīng)的峰值溫度，計(jì)算擴(kuò)散誘導(dǎo)再結(jié)晶激活能為104.33±10KJ/mol，與晶粒生長激活能相符，說明此處出現(xiàn)細(xì)晶粒的長大。根據(jù)Ni原子沿著Cu晶界擴(kuò)散的成

4、分曲線，計(jì)算出200℃、300℃、350℃、400℃的擴(kuò)散系數(shù)分別為，2.10（±0.75）×10-17m2/s，1.94（±0.82）×10-14m2/s，3.80（±0.51）×10-14m2/s，8.12（±0.83）×10-14m2/s，相應(yīng)的擴(kuò)散激活能為49.523（±3.18）KJ/mol。擴(kuò)散系數(shù)大于相應(yīng)體擴(kuò)散系數(shù)，而激活能則小于體擴(kuò)散激活能，說明擴(kuò)散層基體的特殊微觀結(jié)構(gòu)決定晶界擴(kuò)散系數(shù)，晶界擴(kuò)散的勢(shì)壘小于體擴(kuò)散的勢(shì)壘是造

5、成溶質(zhì)原子優(yōu)先于基體晶界擴(kuò)散的原因。
　　通過不同溫度的退火處理，Cu/Ni多層膜的微觀結(jié)構(gòu)表明：在300℃時(shí)，表現(xiàn)出擴(kuò)散不均勻性，Ni原子于Cu晶界明顯擴(kuò)散，而極少量Cu原子擴(kuò)散現(xiàn)象。擴(kuò)散時(shí)間延長，Ni原子沿Cu晶界擴(kuò)散濃度增加，并伴隨Cu/Ni擴(kuò)散界面混合層分解，界面混合層原子重新排列即擴(kuò)散層界面變窄，而Cu/Ni界面依然非常清晰。在400℃時(shí)，Cu原子與Ni原子開始互擴(kuò)散（包括體擴(kuò)散與晶界擴(kuò)散），擴(kuò)散界面成尖錐狀，向Cu一側(cè)

6、遷移，而部分清晰Cu/Ni界面穩(wěn)定保持到400℃。電沉積Cu的微觀結(jié)構(gòu)表明，晶界由于存在大量缺陷（空位、位錯(cuò)等）而成為擴(kuò)散的快速通道，并且由于Cu晶粒內(nèi)部位錯(cuò)的存在，造成擴(kuò)散不均勻性。這為研究納米薄膜電阻器，多層反光鏡，巨磁阻材料等多層膜結(jié)構(gòu)材料的熱穩(wěn)定性提供了實(shí)驗(yàn)素材，彌補(bǔ)對(duì)于擴(kuò)散界面和晶界研究以理論模擬為主而缺少相關(guān)實(shí)驗(yàn)表征的現(xiàn)狀。
　　低溫晶界擴(kuò)散誘導(dǎo)再結(jié)晶區(qū)（DIR）是在Ni原子經(jīng)過充分的晶界擴(kuò)散后才形成，分為兩個(gè)過程：（

7、1）形核過程，Ni原子沿著晶界擴(kuò)散以平衡晶界處的缺陷并形成小的不均勻區(qū)即再結(jié)晶形核點(diǎn)；（2）長大過程，Ni原子通過Cu晶界向內(nèi)部生長的位錯(cuò)進(jìn)行擴(kuò)散并細(xì)化部分Cu晶粒，然后進(jìn)行體擴(kuò)散，隨之細(xì)化的晶粒會(huì)在退火的過程中長大，長大方向與擴(kuò)散方向相同。根據(jù)再結(jié)晶區(qū)厚度與擴(kuò)散時(shí)間關(guān)系公式，計(jì)算出不同溫度的kl和n值：300℃時(shí)，kl為1.97×10-12m,n為1.192；400℃時(shí)，kl為5.81×10-12m,n為1.20；600℃時(shí)，kl為3

8、.32×10-9m,n為0.731。低溫晶界擴(kuò)散誘導(dǎo)再結(jié)晶區(qū)的生長速率大于中高溫的生長速率（比較n值），主要源于DIR區(qū)的細(xì)晶粒晶界與基體組織內(nèi)的晶界共同助推溶質(zhì)原子擴(kuò)散，伴隨位錯(cuò)擴(kuò)散，加速DIR區(qū)的生長。
　　擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)的形變微觀組織表明：在形變過程中，擴(kuò)散混合層可以吸收大量位錯(cuò)，并且易于形成亞晶粒，可以強(qiáng)化基體材料并協(xié)調(diào)基體材料形變。應(yīng)變速率敏感系數(shù)m值為0.0196，大于粗晶體材料的m值，尤其界面處4nm厚度的混合層的延伸率

9、超過10％，顯示出特殊的微觀形變機(jī)制，類似玻璃態(tài)。
　　晶粒層狀排列Ni材料的形變微觀組織表明：在室溫低應(yīng)變速率下，該材料產(chǎn)生形變孿晶，形變孿晶界遷移和普通晶界遷移共同協(xié)調(diào)該材料的塑性變形，獲得較好的延伸率；循環(huán)形變力學(xué)性能出現(xiàn)形變強(qiáng)化與軟化現(xiàn)象，開始階段，強(qiáng)化效應(yīng)是由于位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)形成，而其后的軟化效應(yīng)，除了克服位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)阻力外，還與形變孿晶或?qū)渝e(cuò)的出現(xiàn)有關(guān)，形變孿晶的產(chǎn)生主要源于由晶界發(fā)出的肖克萊不全位錯(cuò)遷移；原位拉伸斷口顯示，單晶

10、鎳線形變由形變孿晶或?qū)渝e(cuò)主導(dǎo)，源于樣品表面發(fā)出的肖克萊不全位錯(cuò)，大量位錯(cuò)塞積處即應(yīng)力集中區(qū)同樣可以促進(jìn)形變孿晶的產(chǎn)生。這不符合相關(guān)研究者分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果，主要因?yàn)槟M邊界條件選擇與實(shí)際形變過程中的特殊環(huán)境不同，并且形變孿晶具有晶粒尺度效應(yīng)。對(duì)柱狀晶Ni，在動(dòng)態(tài)拉伸過程中，產(chǎn)生形變孿晶的晶粒尺寸大約為1μm左右；對(duì)層狀晶Ni，在常規(guī)拉伸過程中，產(chǎn)生形變孿晶的晶粒尺寸范圍大約為200～500nm，主要為300nm左右。
　　柱狀晶C