金属纳米叠层材料的力学性能与辐照损伤容限

金属纳米叠层材料由于不仅可以调整其组元几何尺寸和微观结构尺度?而且可以引入具有不同本征性能的组元材料和不同结构的层间异质界面?在获得高强韧与高辐照损伤容限金属结构材料方面具有潜在的能力?结合当前国内外有关金属叠层材料力学性能与辐照特性尺寸效应研究的最新进展?分别阐述了晶体/晶体Cu/Mo与晶体/非晶Cu/Cu￣Zr金属叠层材料He+辐照前后的结构演变与力学特性?揭示了上述两类金属叠层材料的强化与损伤机制的异同?并对高辐照损伤容限纳米叠层材料研究的发展趋势进行了展望?     

纳米金属多层膜的电化学制备与性能研究的现状

介绍了金属多层膜电化学制备方法的现状,简述了单槽电化学制备多层膜材料的数学模型,比较了纳米金属多层膜与亚纳米金属多层膜不同的力学、电学、磁学、光学和电化学性能,并讨论了巨磁阻多层膜材料的应用前景。     

偏压对CrN/Si3N4纳米多层膜结构、硬度和断裂韧性的影响

利用磁控溅射法在不同基底偏压条件下制备了CrN/Si3N4纳米多层膜,分别用X射线衍射仪、原子力显微镜及纳米压痕仪表征多层膜的微观结构及力学性能,结果表明,衬底偏压对CrN/Si3N4纳米多层膜微观结构、界面结构、硬度和磨损性能有重要影响。漂浮电位时多层膜界面粗糙,CrN呈(200)、(111)共同生长,硬度和弹性模量低,有偏压且变化时界面宽度和粗糙度变化不大,硬度和模量变化的主要原因是不同衬底偏压下的晶格畸变导致两层材料弹性模量变化和晶粒尺寸变化。基底偏压的优化有助于改善涂层的屈服应力和断裂韧性。     

金属Cu纳米晶体的显微硬度及微结构研究

为了研究自悬浮-模压法制备的纳米金属晶体材料的有关性能及微观结构特征,采用自悬浮定向流技术制备出纳米Cu粉,经过常温模压得到金属Cu纳米晶体材料,测试了样品的室温显微硬度,并探讨了不同的压制工艺对金属Cu纳米晶体材料显微硬度的影响;利用X射线衍射谱和正电子湮没技术分别分析了纳米Cu晶体的平均晶粒尺寸和其内部的孔隙状态.研究结果表明:金属Cu纳米晶体的平均晶粒尺寸为25 nm,显微硬度随压制工艺而变化,达1.55～1.90GPa,为粗晶Cu的3～4倍;材料内部缺陷大部分为单空位和空位簇,微孔隙的数量很少.     

金属/高熵合金纳米多层膜的制备、微观结构及力学性能研究进展

通过表面防护涂层技术制备综合力学性能与摩擦性能优异的涂层材料,对降低构件因碰撞摩擦磨损所引起的损伤失效问题十分重要。相较于单层膜结构防护涂层,金属纳米多层膜涂层材料由于其微观组织结构的独特性与可控性,表现出优异的服役特性,且其综合性能可通过结合新组元或界面调控得到进一步提高,因此该类材料受到了广泛关注。新颖的成分设计理念使得高熵合金具有独特的四大效应,即高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应和性能鸡尾酒效应,进而呈现出良好的综合性能。因此,在传统的双金属纳米多层膜结构材料中引入高熵合金组元,形成金属/高熵合金纳米多层膜,有望突破传统金属纳米多层膜的性能局限,极大地提高多层膜结构材料的力学性能。从功能基元序构的视角,围绕近几年金属/高熵合金纳米多层膜的相关研究,首先介绍了其制备方法和工艺原理,针对功能基元微观结构特征,从晶粒形貌、界面结构、组元成分等方面进行了阐释,在此基础上论述了其力学行为以及相应的内在机制,并提出了调控金属/高熵合金纳米多层膜力学性能的优化策略,最后对金属/高熵合金纳米多层膜的未来研究方向和面临的挑战进行展望。     

纳米金属多层膜的电制备与性能研究的现状

介绍了金属多层膜电化学制备方法的现状，简述了单槽电化学制备多层膜材料的数学模型，比较了纳米金属多层膜与亚纳米多心移层膜不同的力学、电学、磁学、光学和电化学性能，并了巨磁阻多层材料的应用前景。     

金属纳米多层膜力学性能研究进展

新型功能材料及器件向小型化,集成化和复合化发展的趋势,使得尺寸在纳米尺度的层状材料和柔性多层器件在使用过程中的服役行为成为其发展的关键科学问题。本文结合作者近几年对Ag/M系列和Cu/M系列多层膜力学性能的研究工作,对金属纳米多层膜的微结构特征及其对力学性能的影响进行了回顾和总结,主要包括多层膜的晶粒形貌对其强化机制和塑性变形行为的影响,组元强度错配对多层膜硬化行为的影响,界面结构与其强度极值的关系、不对称界面结构引起的异常弹性模量增强和多层膜的室温蠕变机制及界面结构对蠕变性能的影响等几个方面,并对多层膜的力学性能研究进行了展望。     

Cu/Zr纳米多层膜的调制结构与电阻率

采用磁控溅射技术在单晶硅片上制备了恒定调制周期(λ=25,40 nm)、不同调制比(η=0.1~10.5)的Cu/Zr纳米多层膜。分别通过透射电子显微镜研究分析Cu/Zr多层膜的微观结构,通过四探针测量法系统研究Cu/Zr多层膜电阻率的尺寸效应。微观结构分析表明:Cu/Zr多层膜呈现周期性层状结构,层界面清晰。调制周期与调制比均显著影响Cu/Zr多层膜的电阻率(ρ)。相同调制周期下,η大于临界调制比(η_C≈1)时,ρ几乎与η无关;而η小于此临界调制比(η_C≈1)时,ρ随η减小急剧增大。利用Fuchs-Sondheimer和Mayadas-Shatzkes(FS-MS)传输模型可以对实验数据进行很好的拟合,拟合结果表明:当ηη_C时,晶界散射和界面散射协同作用是Cu/Zr多层膜电阻率变化的主控机制;当ηη_C时,晶界散射成为多层膜电阻率变化的主导因素。     

金属层状复合材料的力学行为及微观变形机理

金属层状复合材料作为一种典型的非均质材料,通过调控其内部的多尺度微结构特性,可以实现金属结构材料强度-韧性的协同提升,在高端先进制造领域具有潜在的应用前景。金属层状复合材料的宏观力学性能显著依赖于各组元层的性能、厚度和异质界面的结构特性。变形过程中材料内部的微观应力/应变在异质界面处的协调特性对组元金属的形变微观机制产生重要影响,进而影响复合材料整体的性能。因此,探索金属层状复合材料的“微观结构-力学行为-变形机制-宏观力学性能”的内在关联并揭示其对应的微观形变机理,对设计具有优异综合力学性能的金属层状复合材料有重要的理论指导意义和实际应用价值。聚焦于晶态金属层状复合材料的微观力学行为及变形机理,介绍了其力学行为的尺寸与界面效应,着重讨论了室温下材料的微观形变物理过程,阐明了非均匀金属层状复合体强韧化的机理。最后,对金属层状复合材料力学行为的研究进行了简要展望。     

退火处理工艺在纳米多层膜材料研究中的应用进展

与传统块状材料相比,纳米多层膜因其小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应,表现出独特的光、磁、电、力学和热学性能,可作为光电材料、光吸收材料、电磁波吸收材料、磁记录材料和低温连接材料,被广泛应用于光学器件、半导体、电磁防护、加工制造、表面防护以及电子封装等领域。纳米多层膜的微观结构与宏观物理力学性能具有强烈的尺度效应。由于受制备工艺所限,纳米多层膜内部存在的空位、位错等缺陷导致其在复杂服役环境中难以完全满足耐热、耐磨和耐腐蚀等要求,限制了纳米多层膜的发展。而在集成电路和芯片制造领域,纳米多层膜器件常处于偏离常温的苛刻工作环境中,具有较高表面自由能的亚稳态纳米多层膜在受热情况下会通过两相互扩散、层内脱离和界面结构变化等方式,趋向达到低能量的稳定结构,从而破坏了多层膜内部的微观结构,导致其熔点降低、超硬等特性消失或减弱。因此,研究纳米多层膜的微观结构演化、热稳定性及其失效机理,直接关系到纳米多层膜体系的服役寿命和可靠性。退火工艺作为一种常见的热处理手段,被广泛应用于消除金属内部的缺陷,从而达到改善材料性能的目的。对于在高温条件下工作的纳米多层膜,退火工艺也是延长其使用寿命的有效手段。目前退火工艺在纳米多层膜研究中的主要应用方向有:(1)通过改变退火温度、保温时间和冷却速度,改善纳米多层膜的性能;(2)通过提高退火上限温度,研究退火温度对纳米多层膜热稳定性的影响,获得保持微观结构稳定的临界温度。研究发现,适当的退火工艺可以细化纳米多层膜的晶粒结构,增加致密度,降低缺陷密度,诱导产生特殊结构,增强原子与位错的交互作用,从而提高薄膜的透光率,改善薄膜光学性能或磁学、电学和力学性能;(3)在一定温度区间内对纳米多层膜进行退火,通过TEM、XRD等手段观察多层膜内部界面的结构变化、原子扩散情况及新的物相生成情况,从而研究了纳米多层膜的结构稳定性、化学稳定性和力学稳定性。本文综述了退火工艺在纳米多层膜改性以及热稳定性研究中的应用进展,讨论了退火工艺对纳米多层膜性能(光学性能、磁学性能、电学性能、力学性能)的影响。重点介绍了退火处理温度对不互溶纳米多层膜体系热稳定性和组织演变的影响机理。最后指出了退火工艺在纳米多层膜研究中的进一步应用方向,以期对高强度、高热稳定性纳米多层膜的设计制备及在材料焊接/连接、集成电路、切削刀具、吸波涂层等领域的广泛应用提供重要的理论和应用价值。     

流动槽滴入法电结晶制备铜钴纳米多层膜

在硼酸镀液体系中采用流动槽滴入法电结晶制得Cu/Co纳米多层膜,通过循环伏安法确定Cu、Co电结晶电位,分别为-0.55V和-1.05V(vs.SCE),通过X射线衍射技术(XRD)和X射线荧光光谱法(XRF)对Cu/Co纳米多层膜的结构、成份进行了分析.并用物性测量系统PPMS测试了Cu/Co多层膜的磁性能,结果表明:电结晶制备的Cu/Co多层膜的矫顽力比较小,仅为34 Oe,适合作巨磁阻磁头材料,其磁电阻随磁场强度的增大而减小,且约在3000 Oe时磁电阻趋于饱和,此时的巨磁阻效应GMR值达到了14%.     

Zr基氮化物／金属Cu纳米多层膜的强韧化研究

多层结构可以提高材料的强度、弹性模量和韧性。当尺寸减小到纳米量级时,性能将产生飞跃变化。首先探讨了多层结构提高强度、弹性模量和韧性等性能的基本原理,然后阐明了纳米尺度效应及理论,重点以过渡族金属氮化物ZrN纳米多层膜为例,研究了氮化物／金属（ZrN／Cu）纳米多层膜、ZrAIN纳米复合膜以及ZrAIN／Cu纳米多层膜的强韧化性能。结果表明,ZrN／Cu纳米多层膜的断裂韧性约是二元ZrN薄膜的2倍。当纳米多层膜的Cu单层厚度为2013131时,多层膜的K1C值最高。ZrAIN复合膜的断裂韧性与Al含量密切相关,当Al原子分数为23％时,薄膜的KIc值达3．17MPa·m^1/2,其硬度〉40Gpa,Al原子分数为47％的薄膜的K1C值则降低到1．13MPa·m…。,其硬度降低至17．1GPa。与z州／cu纳米多层膜和ZrAlN复合膜相比,以ZrAIN层和cu层为调制结构制备的ZrAlN／Cu纳米多层膜具有最高的硬度和最好的韧性。     

NCC改性海藻酸钠可降解复合膜的制备及性能研究

通过硫酸水解微晶纤维素制备纳米尺寸的纤维素晶体-纳米纤维素(NCC),以NCC为增强体,通过流延法制备了纳米纤维素/海藻酸钠复合膜,采用红外光谱(FT-IR),X射线衍射(XRD)对复合膜的结构进行了表征,研究了复合膜的吸湿性能,阻隔性能,透光率及拉伸性能。结果表明:纳米纤维素可以显著提高膜的力学性能,与纯海藻酸钠膜相比,含量15%NCC使拉伸强度提高了近45%,同时NCC的引入降低了材料的吸湿率。水蒸汽透过性下降了24.9%,有效提高了材料的阻隔性能,红外光谱与XRD分析表明NCC与基体之间存在分子间氢键相互作用,具有较好的相容性。     

Cu/Zr纳米多层膜微结构与力学性能

本文利用直流磁控溅射方法在石英玻璃基片上制备一系列自支撑Cu/Zr纳米多层膜,使用箱式电炉对多层膜进行退火处理,利用显微硬度计,X射线衍射仪、扫描探针显微镜表征了多层膜的力学性能与微观结构,研究了不同工艺参数对纳米多层膜性能的影响.研究结果表明:当Cu调制层厚从42 nm增加至140nm时,多层膜显微硬度从4.9 GPa逐渐降低至4.0 GPa;当Zr调制层厚从3.2 nm增加至4.8 nm时,显微硬度值从6.51 GPa降低至5.64 GPa,硬度值降低13.4%,而从4.8 nm增至8 nm时,显微硬度值变化不大(约5.7 GPa);合适的温度退火时,多层膜微观缺陷消失,表面形貌更均匀,显微硬度增加.利用Chu和Barnett提出的硬度增强理论模型对Cu/Zr纳米多层膜表现出的超硬现象进行了理论分析和解释.     

尺度对金属材料电阻率影响的研究进展

随着微/纳米技术的发展,在微/纳尺度器件中金属材料的几何尺度或微观结构尺度从宏观尺度逐渐减小到微米、亚微米甚至纳米量级,其室温电阻率往往表现出明显的尺寸效应。本文总结了近年来关于不同尺度金属材料电阻率的研究进展,重点介绍了金属材料的微观结构、缺陷尺度以及几何尺度对金属材料电阻率的影响及相关的理论模型,探讨了材料内部微观结构尺度与几何尺度对材料导电性能的影响规律。最后,对微尺度金属材料电阻率及其服役可靠性的研究趋势进行了展望。     

调制比对电弧离子镀Cr/TiN纳米多层膜力学性能的影响

采用电弧离子镀技术,通过改变调制比沉积Cr/TiN纳米多层膜.利用扫描电子显微镜、原子力显微镜、X射线衍射仪、纳米压痕仪研究了调制比对Cr/TiN纳米多层膜表面形貌、微观结构以及力学性能的影响.结果表明,纳米多层膜表面致密、平滑均匀,膜层与基底结合良好,膜层综合力学性能优异,出现明显的纳米效应和界面效应.当调制比为2:...     

合金成分对Ag-Cu二元合金制备纳米多孔银的影响

本文研究了纳米多孔银的制备及合金成分对纳米多孔银微观结构的影响。选用Ag含量(原子百分数)为15%,20%和25%(分别对应亚共晶,共晶与过共晶成分)的Ag-Cu合金薄带,通过化学去合金法制得具有三维的,韧带-孔洞双连续结构的纳米多孔银。利用X射线衍射仪(XRD)与扫描电子显微镜(SEM)对试样进行物相组成和微观结构的观察与分析。研究了Cu含量的变化对纳米多孔银微观结构及性能的影响。得出结论:去合金介质及温度等腐蚀条件一定的情况下,去合金时间越长,纳米多孔银的韧带尺寸越大。在腐蚀介质和温度等条件相同的情况下,纳米多孔结构特征尺寸受合金成分影响,Cu含量越高,去合金过程中产生的孔洞/通道尺寸越大。由于Cu含量不同,Ag15Cu85,Ag20Cu80和Ag25Cu80三种成分的合金中,Ag20Cu80去合金化得到的纳米多孔Ag的韧带孔洞微观结构最均匀。     

用于Cu互连阻挡层的非晶Ni-Al薄膜研究

以非晶Ni-Al薄膜作为Cu互连的阻挡层材料,采用射频磁控溅射法构架了Cu/Ni-Al/Si的异质结.利用原子力显微镜、X射线衍射仪和四探针测试仪研究了不同温度下高真空退火样品的表面形貌、微观结构与输运性质.实验发现非晶Ni-Al薄膜在高达750℃的退火温度仍能保持非晶结构,各膜层之间没有明显的反应和互扩散存在,表明了非晶Ni-Al薄膜具有良好的阻挡效果,可以用作Cu互连的阻挡层材料.     

衬底偏压对CrN／Si3N4纳米多层膜结构和力学性能的影响

采用磁控溅射法在不同基底偏压条件下制备了CrN／Si3N4纳米多层膜,用x射线衍射仪、原子力显微镜及纳米压痕仪表征,结果表明,衬底偏压对CrN／Si3N4纳米多层膜微观结构、界面结构、硬度和磨损性能有重要影响;漂浮电位时,导致多层膜界面粗糙,CrN呈（200）、（111）共同生长,硬度和弹性模量低;当偏压变化时,界面宽度和粗糙度变化不大,硬度和模量变化的主要原因是不同衬底偏压下的晶格畸变导致两层材料弹性模量变化和晶粒尺寸变化。与漂浮电位相比,涂层的屈服应力和断裂韧性有所增强。     

掺钛类金刚石膜的微观结构研究

采用无灯丝离子源结合非平衡磁控溅射的方法,在模具钢及单晶硅基体上制备了梯度过渡的掺钛类金刚石（Ti-DLC）膜层,利用俄歇电子谱（AES）、透射电镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）及X射线衍射（XRD）等手段对膜层的过渡层、界面及微观结构进行研究。结果表明：制备的膜层成分深度分布与所设计的基体/Ti/TiN/TiCN/TiC/Ti-DLC相吻合,在梯度过渡中不同膜层之间界面体现为渐变过程,结合非常良好;少量的Ti主要以纳米晶TiC的形式掺入到非晶DLC膜当中;所制备的膜层具有厚2.9μm、硬度高达25.77 GPa、膜/基结合力44 N-74 N。