金属薄膜中微裂纹萌生行为的分子动力学研究

基体-薄膜结构是微电子器件中的典型结构,尤其是金属薄膜已被广泛的应用到微电子器件上。金属薄膜在制备过程中产生的表面微裂纹对薄膜的力学性能有着较大的影响,并且表面微裂纹尖端扩展所导致的薄膜破裂,更是造成薄膜失效的主要形式,因此对金属薄膜表面微裂纹萌生行为的研究具有重要的意义。本文基于分子动力学,对连续载荷作用下的带有缺陷的铜金属薄膜进行模拟分析。计算得到了系统在拉伸方向上的应力-应变关系曲线。模拟结果显示,金属铜薄膜的原子运动对整体力学行为有明显的影响。同时模拟过程中发现,在连续载荷作用下,大量位错在金属薄膜缺陷附近产生,从而促使薄膜表面萌生微裂纹。     

微孔金属薄膜结构变化及阻尼性能研究

研究了微孔金属薄膜的微观变化和阻尼性能,采用扫描电镜(SEM)原位观察实验方法对带孔金属薄膜微观结构和阻尼进行分析。分析得到:交变载荷拉伸加载过程中微纳米孔缺陷试件经历了微裂纹萌生、微裂纹扩展及多孔裂纹重叠等一系列变化过程,而卸载过程中,微裂纹逐渐消失。同时得出金属薄膜应变滞后于应力周期性变化的规律,并求出损耗因子为0.00442。结果表明:在交变载荷作用下,微孔附近微裂纹的萌生、扩展及多孔处裂纹叠加变化促使外载荷的机械能以热能形式散失,是金属薄膜具有一定的阻尼减振性能的原因之一。     

多层金属复合材料的应变局部化延迟和抗断裂失稳机理

多层金属复合材料在航天航空、汽车、船舶、核能电力领域中起着非常重要的作用。相比于传统单一金属,多层金属复合材料具有超高的塑性变形能力和断裂韧性。综述了多层金属复合材料在塑性变形过程中的应变局域化延迟和抗断裂失稳的特征和机理,归纳出周期性颈缩、脱层断裂、隧道裂纹、弥散剪切带对抑制多层金属复合材料塑性失稳的作用机理,并阐明脱层断裂、裂纹分叉、隧道裂纹对多层金属复合材料的增韧机理,和对韧脆转变行为的作用规律,可为金属材料强韧化提供新的设计思路和技术支撑。     

非晶态Se薄膜晶化过程中微裂纹产生的研究

薄膜在热处理过程中存微晶结构的变化。利用光学显微镜对非晶态Ｓｅ薄膜在晶化过程中微裂纹的产生做了详细的分析和研究，利用位形坐标解释了非晶薄膜室温下的转为的原因。并对三层结构的ＳｉＯ／Ｓｅ／ＳｉＯ的晶化做了进一步研究，结果表明微裂纹产生与晶化过程中砂揶重新排序，原子迁移导致晶界的产生和体积收缩产生的应力有关，裂纹的产生还同薄膜与衬底间的热失配有关。     

纤维增强树脂基复合材料环境加速老化性能研究

分析了复合材料湿热和热氧老化机理,对层合板复合材料及夹芯复合材料进行交变湿热和高低温加速环境试验,研究了材料的质量、弯曲性能等随老化环境、老化时间的变化情况。结果表明,复合材料具有良好的耐湿热和高低温环境稳定性,夹芯复合材料较层合板复合材料表现为更佳的性能稳定性。     

T700轴向增强经编织物复合材料力学性能的模拟分析与试验研究

应用一种新型界面元模型研究了复合材料层间剪切损伤。通过引入双线性损伤准则和损伤演化,预报复合材料层间裂纹扩展。轴向增强经编织物复合材料由针织纱线引起的纤维变形(KYD)产生了富树脂区域,基于细观力学理论提出了一种新的研究轴向增强经编织物单胞模型受单向拉伸和剪切时KYD区周围应力分布的方法,得出了单胞在受载时首先在这一区域产生裂纹。对单轴向T700经编织物复合材料进行了三点弯曲性能和层间剪切性能试验测试,分析了经编织物复合材料的力学特性。分别模拟了弯曲性能和层间剪切性能试验,得出了最大预报载荷值与试验值误差小于10%,并基于有限元模型研究了复合材料面内损伤和层间裂纹扩展损伤机制。     

陶瓷基复合材料疲劳特性的研究

应用相变增韧、相变-晶须复合及相变-颗粒复合三种方式来改善氧化铝陶瓷的力学性能,研究了陶瓷基复合材料的疲劳特性。 在循环压缩载荷作用下,陶瓷材料的应力集中处(如缺口)会产生垂直于压应力轴的疲劳裂纹,随循环周次的增加,裂纹的扩展由快到慢,最终完全停止。循环压缩疲劳裂纹的形成机理是较大的应力集中使材料内出现以微裂纹为主要形式的不可逆损伤,在随后的卸载过程中,不可逆损伤区产生很高的残余拉应力,使疲劳裂纹形核并逐渐扩展。 陶瓷材料在四点弯曲循环载荷作用下,疲劳裂纹具有较长的亚临界扩展过程。裂纹护展速率与循环载荷的最大应力强度因子K_(max)及应力强度因子幅度△K都有关,且随载荷频率的降低及载荷波形由三角波变为正弦波,裂纹扩展速率增加。陶瓷材料四点弯曲疲劳裂纹的亚临界扩展是材料内损伤逐渐累积的结果。疲劳过程中材料通过形成微裂纹及裂纹分叉、克服增强物的阻碍及裂纹表面的桥接与互锁作用、产生裂尖微区内的塑性变形及部分稳定ZrO_2的相变等方式来消耗能量,在材料内造成以微裂纹为主要形式的微观损伤,从而弱化了材料,使疲劳裂纹得以亚临界扩展。 陶瓷材料在1050℃高温下的强度约为其室温强度的一半。陶瓷材料的高温循环疲劳是高温静载效应与循环载荷效应的迭加,1050℃下,循     

复合材料胶结修补缺损金属结构的力学性能研究

进行了未修补与复合材料胶结修补的含穿透性裂纹金属试样的力学性能实验,测定了失效载荷,并分析了失效机理;采用实体层单元模拟复合材料补片和胶层,建立了复合材料胶接修补缺损金属结构的三维有限元分析模型,数值模拟了两种试样的载荷-位移曲线和应力分布,预测了破坏位置,与实验现象吻合良好。研究发现,与未修补的试样相比,经复合材料修补后的缺损结构承载能力得到明显提高。     

金属裂纹板复合材料单面胶接修补结构应力分析

考虑金属裂纹板复合材料单面胶接修补结构的几何非线性和边界条件,建立了考虑弯曲变形单面修补结构力学分析模型,计算出承受面内载荷时修补结构的弯矩和挠度,将补片自由端和金属板裂纹处的弯矩作为胶层应力控制微分方程的边界条件,推导出剪应力和剥离应力的解析解,及裂纹张开位移的表达式,并与有限元数值结果进行对比。分析结果表明,胶接修补结构应力分析理论模型和相关简化假设合理、正确。利用所建立的解析模型研究了金属裂纹复合材料单面胶接修补结构的应力分布特点及胶层主导破坏模式的失效机制,为胶接修补结构的承载能力分析以及结构改进设计提供了一定的理论依据。     

纤维增强复合材料薄壁圆管扭转失效分析

对碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）薄壁圆管的扭转屈曲、失效载荷和失效模式进行了试验和数值模拟。试验观察圆管在扭矩作用下的3种失效模式,分析了不同失效模式的特征和机理。考虑圆柱壳的初始缺陷和非线性屈曲等因素,利用ABAQUS建立了圆管屈曲和损伤的有限元模型。结果表明:屈曲诱发圆管表面微裂纹的产生和扩展,对圆管的失效有着加速作用;扭转失效过程中圆管层间应力较低,层间分层主要由管壁突然的破坏产生;圆柱壳的初始缺陷对屈曲和失效载荷的模拟影响较大,本文通过对比计算结果和试验数据确定了圆管的初始缺陷系数;损伤模型的数值模拟结果与试验数据相一致,验证了有限元模型的有效性。      

双靶溅射法制备M-SmS光学薄膜的研究

为了制备难以直接获得的金属相SmS,以Sm和Sm2S3为靶材,采用双靶子溅射系统,于单晶Si基板上直接获得了常温常压下稳定存在的M-SmS微晶薄膜,并采用XRD分析、内应力和RBS成分测试等手段对M-SmS的形成机理进行了研究.结果表明:M-SmS薄膜的形成是由于薄膜中存在压应力,压应力的形成与薄膜基板温度、薄膜沉积速率、薄膜中Sm元素过量以及基板之间膨胀系数的差异有关.     

The mechanical properties and resistivity of Au/NiCr/Ta multi-layered films on Si-(111) substrate

Au/NiCr/Ta multi-layered metallic films were deposited on Si substrate by magnetron sputtering at different substrate temperatures. The residual stress, hardness and resistivity were investigated as a function of substrate temperature by laser polarization phase shift technique, nanoindentation technique and four point probe method, respectively. The residual stress in as-deposited films at different substrate temperatures was tension with 385 MPa-606 MPa. Nanoindentation tests at shallow indentation depths (h ≤ t/4) where the hardness is reliable for metal films on hard substrate. Au film at deposition temperature 200 °C has the highest hardness 4.2 GPa. The resistivity in the deposited films reached the lowest value 3.1 μΩ.cm at substrate temperature 200 °C. The most interesting facts are that the hardness decreases with increasing residual stress and resistivity increases with increasing residual stress. The relationship of residual stress and resistivity may hint that there is a definite correlation between the mechanical properties and electrical properties in the metallic films.     

微条气体室基板研究

提出采用金刚石膜/硅复合材料作为MSGC基板的可行性.采用热丝辅助化学气相沉积(HFCVD)技术和相关退火工艺获得了金刚石膜/硅复合材料,并采用SEM、Raman光谱仪、微电流仪对复合材料的表面状况、结构、I-V和C-F特性进行了表征.结果表明,该复合材料经抛光后表面平整,退火后电阻率达2.9×10 10Ω·cm,电容值小且频率变化稳定,均满足MSGC对基板材料的要求,是一种应用前景极其广泛的MSGC衬底材料.     

Cu—TiN复合薄膜的微结构与电性能

本文采用ＳＥＭ,ＥＤＡＸ和ＴＥＭ等手段研究了多靶磁控溅射制备的Ｃｕ－ＴｉＮ复合薄膜,并测定了薄膜的电阻率。研究表明,复全薄膜的微结构随ＴｉＮ含量及其片高温发生明显变化,其电阻率在基片温度约为２００℃时取得极不值,约为室温沉积薄膜电位率的１／４。     

AZ31镁合金表面磁控溅射Zr(Al,Ti)-SiN_x复合薄膜及其耐蚀性能

镁合金表面沉积薄膜可以提高其耐蚀性,但现有的几种沉积方法得到的膜疏松、与基体结合力差,影响了其耐腐蚀性能.为此,采用磁控溅射法在AZ31镁合金表面制备了Al,Zr,Ti膜及其与SiN_x的复合薄膜.用扫描电镜、X射线衍射、XPS研究了金属膜及其与SiNi_x复合薄膜的晶体结构、表面形貌和化学成分.结果表明:所制备的SiN_x薄膜为非晶态的富N膜;Zr膜的耐腐蚀性最好,Al膜的保护性最差;Zr-SiN_x复合薄膜比AZ31镁合金的腐蚀电流密度降低了3个数量级,Ti-SiN_x复合薄膜在阳极极化区出现了钝化.SiN_x复合薄膜的耐腐蚀性优于AZ31镁合金和单一金属膜.     

The effect of linear thermal expansion on the temperature coefficient of resistance of double-layer thin metallic films

A general theoretical expression for the temperature coefficient of resistance of double-layer thin metallic films, based on the well known Fuchs-Sondheimer model, is derived. This expression includes the linear thermal expansion coefficients and Poisson's ratios of the double layers and the substrate, also the film dimensions and temperature coefficient of resistance of the double-layer thin film, with and without the thermal expansion of both the film layers and the substrate. Numerical calculations are carried out for gold-silver double-layer films deposited on a glass substrate, where variations in the temperature coefficient of resistance depending on thermal expansion are studied as a function of reduced film thickness. The computed numerical results, using the derived new expression for the temperature coefficient of resistance of the double-layer thin metallic films, show that the thermal expansion decreases the value of the temperature coefficient of resistance.     

空间低轨长寿命飞行器用太阳电池复合互连材料的设计

空间太阳电池在低地球轨道工作时受到原子氧等的腐蚀,其互连材料的寿命决定了电池的寿命.为此,设计了一种Ag/Mo/Ag三层夹心结构的复合互连材料取代目前使用的纯Ag互连材料,选择耐原子氧腐蚀的Mo作为衬底材料,涂覆Ag薄膜以利于电阻焊接.采用线性规划思路优化求解复合材料各层厚度范围.通过有限元分析模拟了互连片与电池焊接后的应力和形变分布,验证了上述设计结果.根据设计结果实际制备出复合互连材料,经焊接验证其是可行的.     

Modelling fatigue crack propagation of a cracked metallic member reinforced by composite patches

The concept of fracture for material elements at front of a crack for fatigue crack propagation was extended to the fatigue crack propagation of a cracked metallic member reinforced with a composite patch in this paper. From static mechanics and linear elastic fracture mechanics, force transfer on a cracked member through a composite patch was analyzed and a formula connecting the stress intensity factor with crack length was obtained. Thereafter, a fracture model for fatigue crack propagation of a repaired cracked metallic member was proposed. A new expression for the fatigue crack propagation rate has thus been derived. The expression was verified objectively by the test data. It is in good agreement with the test results.     

功能梯度材料的断裂与屈曲驱动断裂的简化分析

作为一类先进的复合材料,功能梯度材料(FGM)能综合利用多种材料的物理性能,同时材料性质的连续变化也使其具有许多优越的力学性能。本文对功能梯度材料中平行于界面的裂纹的断裂参数进行了计算,并分析了梯度变化的薄膜在压应力作用下的屈曲驱动扩展。研究结果表明:功能梯度材料能有效地减小界面中的应力集中及它对材料中缺陷的作用,从而不同程度地提高了材料的强度和韧性。     

Werkstoffverhalten metallischer Faserverbunde unter Druckschwellbeanspruchung

Behaviour of metallic fiber composites under pulsating compression The behaviour of metallic fiber composite materials is investigated in stress controlled pulsating compression tests in the low cycle fatigue range. Two fiber composites are chosen as the test material which are used in electric industry as contact materials: copper matrix reinforced by continuous austenitic steel fibers as well as silver matrix reinforced by nickel fibers. Especially the successive buckling of the slim fibers arising during cyclic compression loading is studied by means of metallographic methods. Buckled fibers form a kinkband with localized fiber bending. The kinkband formation is found to be independent on fiber volume and stress amplitude.