Cu系纳米金属多层膜微柱体的形变与损伤及其尺寸效应

纳米金属多层膜材料已成为目前高性能微元器件以及互连结构的核心材料体系,其服役过程中的变形损伤与断裂是导致系统失效的关键因素.以本课题组近年来的研究结果为基础,结合当前国内外有关金属多层膜微柱体塑性变形行为研究的最新进展,阐述了金属多层膜微柱体微观结构-尺寸约束-服役性能三者之间的关联性,揭示了金属多层膜微柱体变形模式与损伤的内在规律,归纳了晶体/晶体与晶体/非晶两类层状结构材料加工硬化/软化行为的微观机理,并对纳米金属多层膜研究的发展趋势进行了展望.     

Cu/X(X=Cr,Nb)纳米多层膜力/电学性能的尺度依赖性

利用纳米压痕实验以及四探针法,系统研究了相同层厚Cu/X(X=Cr,Nb)纳米金属多层膜的力学性能(强/硬度)和电学性能(电阻率)的尺度依赖性.微观分析表明:Cu/X多层膜调制结构清晰,Cu层沿{111}面择优生长,X层沿{110}面择优生长.纳米压入结果表明,Cu/X多层膜的强度依赖于调制周期,并随调制周期的减小而增加.多层膜变形机制在临界调制周期(λ~c≈25 nm)由Cu层内单根位错滑移转变为位错切割界面.多层膜的电阻率不仅与表面/界面以及晶界散射相关,而且在小尺度下受界面条件显著影响.通过修正的FS-MS模型可以量化界面效应对多层膜电阻率的影响.Cu/X纳米多层膜可以通过调控微观结构实现强度-电导率的合理匹配.     

Cu-Cr纳米金属多层膜屈服强度/硬度的尺寸依赖性

采用磁控溅射方法分别在聚酰亚胺基体以及单晶硅基体上制备恒定调制比(η)以及恒定调制周期(λ)的Cu-Cr纳米金属多层膜;通过单轴拉伸试验以及纳米压痕试验系统研究Cu-Cr多层膜屈服强度及硬度的尺度依赖性。微观分析结果表明:基体对多层膜的微观结构无影响,Cu-Cr多层膜在生长方向上均呈现Kurdjumov-Sachs取向关系,即{111}Cu//{110}Cr和-110-Cu//-111-Cr。力学测试结果表明:调制比恒定的Cu-Cr多层膜的屈服强度及硬度随调制周期的缩短而增加;调制周期恒定的Cu-Cr多层膜的屈服强度/硬度随调制比的增加而增加。Cu-Cr多层膜变形机制在临界调制周期(λc≈25 nm)和临界调制比(ηc≈1)由Cu层内单根位错滑移转变为负载效应。     

纯钛材与大变形纯钛材微弧氧化膜层的力学性能研究

采用微弧氧化法在纯钛材及大变形纯钛材表面制备了含钙、磷的多孔氧化膜层,研究膜层的微观形貌、硬度、膜基结合力、滚动摩擦磨损性能等性能,探讨钛基材组织细化对其膜层结构及力学性能的影响。结果表明:与纯钛材微弧氧化膜层相比,大变形纯钛材微弧氧化膜层表面微纳米尺度的孔洞更多,孔隙率更高(10.84%vs.9.68%),孔洞孔径更小(8.67μm vs.9.68μm),表面更平坦,锐钦矿相含量更高(43.13%vs.37.74%),膜-基结合能力更强(17 N vs.8N),摩擦系数较低(0.338 vs.0.358),耐磨性能更优,以上的膜层结构及力学性能的改善归因于其钛基材大变形化提高了晶体缺陷。     

Cu/Nb纳米多层膜延性及其断裂行为

通过单轴拉伸试验研究恒定调制周期的聚酰亚胺基体Cu/Nb纳米金属多层膜的延性对调制比的依赖性,并采用聚焦离子束／扫描电子显微镜(FIB/SEM)截面定量表征技术深入分析多层膜的异质约束效应对断裂行为的影响.结果表明随着调制比的增加,多层膜的延性单调减小,出现由剪切型向张开型断裂模式的转变.当调制比小于某一临界值时,调制周期越小,多层膜延性越高;反之,则多层膜延性越差.这是由于软相Cu层对脆相Nb层中萌生的微裂纹扩展的约束作用.     

Cu/Nb纳米金属多层膜延性及断裂行为的尺寸效应

通过单轴拉伸实验并结合原位电阻测量法系统研究了恒定调制比下调制波长(λ=10-250 nm)对聚酰亚胺基体上Cu/Nb纳米金属多层膜延性和断裂韧性的影响.微观分析表明,Cu/Nb的调制结构清晰,不存在明显的互混现象.实验结果表明,随着调制波长的减小,多层膜的延性和断裂韧性均呈现非单调演变趋势,在调制波长为50 nm左右...     

二维超声磨削微纳米复相陶瓷表面变质层特性研究

利用二维超声振动磨削,对微纳米复相陶瓷磨削表面变质层的结构、晶粒度和晶格畸变等进行研究.在一定的磨削条件下,微纳米复相陶瓷二维超声振动磨削表层是以晶粒碎化的材料粉末化以及少量的材料压碎和晶粒脱落等方式为主的塑性变质层,亚表层是以晶格畸变、晶界滑移为主的塑性变形层,材料脆性碎裂去除方式极少,以塑性变形去除机理为主.为此提出了微纳米复相陶瓷二维超声振动磨削表面变质层结构模型.通过TEM,SEM观察发现:纳米材料微观变形机理为内晶型结构增强相的晶粒内位错,基体晶粒的晶界滑移、晶间第二相的变形为其变形协调机制.由于纳米粒子分散在晶界间,阻碍了裂纹的扩展,使得材料表现为穿晶断裂行为,从而获得良好的加工表面.     

中间相沥青基炭/炭复合材料的微观结构与力学性能

借助偏光显微镜、扫描电镜、透射电镜以及力学性能测试研究了微观结构对中间相沥青基炭/炭复合材料力学性能的影响.结果表明基体炭在偏光显微镜下呈现出光学各向异性,在SEM和TEM下呈片层条带状结构.基体炭与纤维之间的界面不连续,为"裂纹型"界面.材料受载破坏时裂纹通过改变扩展路径而延缓其扩展速度,在纤维-基体界面处以及基体炭层片之间引起滑移,在断口形貌上体现出断裂台阶适中且与纤维拔出交替进行,表现出韧性破坏的断裂特征.材料具有较高的力学性能,抗弯强度达到257MPa.     

调制波长对Cu／Ni金属多层膜力学性能的影响

用电沉积法在低碳钢基体上制备了具有不同调制波长(一个调制波长等于单层Cu膜与单层Ni膜厚度之和)的Cu/Ni金属多层膜，研究了多层膜硬度与其中单层膜厚度之间的关系。结果表明，当膜厚在亚微米范围内时，Cu/Ni多层膜的屈服强度(为硬度值的1/3)与单层膜厚之间符合基于位错塞积模型的Hall-Pctch(H-P)关系式；而当单层膜厚小于100nm时，屈服强度与膜厚的关系偏离了H-P线性关系。基于程开甲等人位错稳定性理论首次对金属多层膜变形行为偏离Hall-Petch关系的现象作了定量解释。     

TiAl/Ti_3Al超薄多层复合材料的微观结构与力学性能

采用电子束物理气相沉积(EB-PVD)制备出大尺寸、超薄、化学成分均匀的TiAl/Ti_3Al微叠层复合材料.通过XRD和SEM对材料的相组成和微观结构进行了分析.结果表明:TiAl/Ti_3Al微叠层表面状态良好,具有明显的层状结构,相结构由a2-Ti_3Al和g-TiAl组成.利用热等静压技术对微叠层进行了致密化处理,经热等静压处理后的试样具有较高的拉伸强度,并表现出较好的延伸率.根据拉伸断口形貌及结构特征,探讨了微叠层材料薄板的微观变形机制和断裂机理.TiAl/Ti_3Al微叠层薄板经热等静压处理后,材料断裂方式由沿晶脆性断裂转变为具有一定韧性的准解理断裂和沿晶脆性断裂的混合断裂方式.