溅射沉积Cu/W纳米多层膜结构与性能

以单晶硅和聚酰亚胺为衬底,用磁控溅射沉积调制周期λ=25~150 nm、调制比η=0.5~2的Cu/W纳米多层膜,用XRD、SEM、EDS、AFM、微力测试系统、纳米压痕仪和四探针法对多层膜微观结构、表面形貌和力学及电学性能进行研究。结果表明:λ和η显著影响多层膜结构和性能。多层膜Cu层和W层均为纳米晶结构,分别呈Cu(111)和W(110)择优取向。W(110)晶面间距减小且减幅与1/λ或η值呈正相关,Cu/W层间界面处存在扩散混合层。表面Cu层晶粒尺寸随Cu层厚增加而增大。裂纹萌生临界应变εc总体上随λ增大或η减小而下降,屈服强度σ0.2、显微硬度H和电阻率ρ总体上均与λ或η呈负相关。因Cu层和W层厚度随λ或η的变化而改变,相应地改变了Cu层晶粒度及其晶界密度、W层体积分数和Cu/W层间界面数量,使位错运动能力及电子散射效应变化,最终改变Cu/W纳米多层膜性能。     

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/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...     

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.     

调制周期对CrAlN/ZrN纳米多层膜韧性的影响

目的研究调制周期对纳米多层膜性能的影响。方法采用磁控溅射方法制备了CrAlN与ZrN的固定厚度比为2.6,不同调制周期(Λ为6,8,10,20 nm)的CrAlN/ZrN纳米多层膜。利用场发射扫描电镜(FESEM)表征薄膜的形貌、结构。用Dektak150型台阶仪测薄膜表面粗糙度。用Agilent Technologies G200纳米压痕仪检测涂层的硬度和弹性模量。用划痕仪测薄膜/基材的结合力,同时,引入抗裂纹扩展系数(CPR)表征纳米多层膜的韧性。结果 CrAlN/ZrN纳米多层膜断面皆为穿晶柱状结构,调制周期为20 nm时,多层膜层与层之间的界面清晰;多层膜表面呈致密的花椰菜状,厚度均约为2μm。调制周期为8 nm时,硬度为20.4 GPa,进一步增大调制周期,硬度下降。调制周期为8 nm的多层膜临界载荷L_(c2)为18 N,CPR值为73.2,L_(c2)与CPR值均高于其他调制周期的多层膜。在临界载荷L_(c2)处,裂纹扩展导致薄膜发生了严重的片状剥落,露出了亮白的热轧钢基底,薄膜失去了保护作用。结论实验表明,在多层膜厚度、调制比不变的条件下,改变调制周期能够改变多层膜的韧性。随着调制周期的增大,韧性呈先上升、后下降的趋势。调制周期为8 nm时,纳米多层膜的硬度最高,韧性最好,综合性能良好。     

调制周期对Cr/CrN纳米多层膜的结构与性能的影响

采用多弧离子镀技术在65Mn钢表面制备了不同调制周期的Cr/CrN纳米多层膜.采用俄歇能谱仪(AES)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、纳米硬度仪、轮廓仪和划痕仪,分析了不同调制周期Cr/CrN纳米多层膜的成分分布、微观结构、力学性能、残余应力和结合强度.结果表明,Cr/CrN纳米多层膜的表面平整致密,截面层状调制结构清晰,其调制结构为Cr层-过渡层-CrN层的"三明治"结构,调制比约为1∶ 1.多层膜由CrN、Cr2N和Cr相组成,在CrN(200)方向上出现择优取向.当调制周期为80 nm时,多层膜的硬度值相对较高.随调制周期的增大,Cr/CrN多层膜的残余应力值减小,结合强度值先增大后减小.当调制周期为120 nm时,涂层的划痕临界载荷值相对较高,为69 N.     

调制周期对TiN/Ti多层膜组织结构和结合力的影响

为了阐明调制周期对薄膜微观组织及薄膜与基体结合力的影响,采用反应磁控溅射在Ti6Al4V基板上交替沉积了Ti层及TiN层制备了TiN/Ti多层膜。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、显微硬度仪和划痕仪测量分析了薄膜的晶体结构、微观组织、硬度以及薄膜与基体之间的结合力。研究结果表明:TiN/Ti多层膜中均存在TiN,Ti和Ti2N 3种相。TiN/Ti多层膜均以柱状晶方式生长,在调制周期较大(5层)时,TiN和Ti层的界面清晰;随着调制周期的减小(层数增加),TiN和Ti层的界面逐渐消失。与单层TiN薄膜相比,多层TiN/Ti薄膜的硬度显著提高;但随着薄膜层数的增加,多层TiN/Ti薄膜硬度略微降低。当调制周期为80nm(30层)时,薄膜与基体的结合力明显提高,达到73N。     

磁控溅射Cu膜屈服强度的有限元计算

采用离子辅助轰击共溅射设备，在Si基体的(111)晶面上制得了所需的铜膜。采用纳米压入实验，获得不同退火温度下Cu膜的弹性模量和硬度。再在纳米压入实验的基础上，结合有限元模型计算不同退火温度下磁控溅射得到的Cu膜屈服强度。发现Cu膜的屈服强度远高于整体Cu材料的屈服强度，并且退火温度对薄膜的屈服强度影响很大。通过XRD测量发现其主要原因是退火改变了晶粒尺寸和多晶Cu膜的晶粒取向分布，而导致Cu膜屈服强度的降低。     

Ag/Cu和Cu/Ni纳米金属多层膜强度软化的理论分析

用电沉积法分别制备了具有不同调制波长的Ag/Cu和Cu/Ni金属多层膜,研究了多层膜的硬度与调制波长之间的关系.结果表明,当调制波长λ>300 nm时,两种多层膜的硬度与调制波长符合位错塞积机制的Hall-Fetch关系,当λ<300 nm时,都偏离了Hall-Fetch关系;Ag/Cu和Cu/Ni多层膜分别在λ=50nm和100nm处取得硬度峰值.基于Cheng等人的电子理论分别求出了Ag,Cu和Ni金属晶体的位错稳定的临界晶粒尺寸,进而定量地解释了Ag/Cu和Cu/Ni金属多层膜硬度峰值位置.     

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。     

光催化材料微结构调控的研究

结合作者近几年的研究工作,从表面等离子增强光吸收,异质结材料,微观形貌调控和晶体形态调控三个方面,回顾和总结了目前在光催化材料研究领域的最新研究进展。并对未来光催化材料的发展进行了展望。     

感应加热调功方式的探讨

通过对感应加热过程中几种常用的和新型的功率控制方法的比较，分析了每种方法的理论根据和各自的优缺点，提出了选择标准，为不同工艺要求下选择调功方式提供了依据。     

数控机床主运动变速系统设计研究

在分析调速主轴电机及机床主轴的功率扭矩特性的基础上，研究了采用调速电机的数控机床主运动变速系统各参数之间的关系，并建立了确切的公式，分析讨论了机电串联分段无级调速主运动变速系统的设计原则。     

流体调制技术及其在流体伺服控制中的应用

分析和介绍了流体调制技术的原理、特点及其在流体伺服控制中的应用。     

机床爬行信号测试系统研究

本文研究了机床运动平稳性的测试系统，提出了信号调制和其初相、相位差、相位调制量和估计频率的检测理论方法，讨论了该系统的硬件和软件的研制。     

机床爬行的信号测试系统研究

本文研究了机床运动平衡性的测试系统，提出了信号调制和其初相，相位差、相位调制量和估计频率的检测理论方法，讨论了该系统的硬件和软件的研制。     

栅极调制式高频感应焊机

本文提出了高频感应焊机的一种新颖的控制方式－栅极调制方式，介绍了基本控制的原理。通过对栅极电路的静态和动态分析，提出了参数的计算方法。     

超音频脉冲电源及其与焊接电源的并联耦合

研发了用于复合型超音频脉冲电弧焊接的超音频脉冲电源,其输出脉冲电流的频率和幅值可独立调节和准确控制,并提出了“并联+辅助网络”耦合方式.在建立输出脉冲电流控制模型的基础上,构建了包含降压变换器、全桥变换器和高频耦合变压器的超音频脉冲电源功率变换电路;脉冲电流频率的调节通过改变全桥变换器的开关频率实现,脉冲电流幅值采用对降压变换器的输出电压幅值和全桥变换器的输出电压占空比进行两级反馈控制,以保证其准确性和稳定性.结果表明,超音频脉冲电流的频率和幅值调节快速、准确、稳定,与焊接电弧具有良好的耦合效果.     

大幅值载波对钝化膜的影响

本文通过电化学测量,椭圆偏振术,和AES分析技术研究了321不锈钢大幅值载波钝化膜与小幅值载波钝化膜间的差别,证明了大幅值载波钝化膜耐还原溶解能力较好与膜中组成成分变化有一定的联系.