《納米尺度金屬薄膜拉伸變形及分叉的實驗研究》是依託天津大學，由王世斌擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：納米尺度金屬薄膜拉伸變形及分叉的實驗研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：王世斌
- 依託單位：天津大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
基於雙向PZT技術，研製用於納米尺度薄膜拉伸原位測量的實驗技術及裝置。對載入端的位移控制精度、載入穩定性和實驗裝置的力-熱性能進行分析和最佳化設計。在載入過程中，保證試件測量區域的位移飄移量不大於20納米。選擇多種不同彈模的彈性基底，在各基底上面分別沉積幾十納米至幾微米尺度不等的金屬薄膜。利用X射線定量測定薄膜內部的殘餘應力分布。對薄膜/基底二元組件施加拉伸載荷，藉助於AFM和高倍光學顯微鏡，利用三維特徵提取及應變測試分析技術，對不同載荷下薄膜的微觀變形進行跟蹤測量，在微米-納米尺度上，定量分析薄膜的力學性能。在此基礎上，分析基底彈性模量、基底厚度、薄膜彈性模量、厚度、晶粒尺寸、殘餘應力等因素與薄膜變形之間的關係，得出薄膜變形形式的實驗結果，進而研究薄膜變形的分叉模式及變形演化規律，實驗結果將與基於分叉分析和有限元模擬的結果進行比較。
結題摘要
項目取得的主要成果如下：1．開發了一套適合薄膜/基底結構在光學顯微鏡下原位觀察的拉伸載入裝置，此裝置主要由三部分組成：反向螺紋對中載入框架、柔順鉸鏈載入及力感測部件和位移感測器。已獲授權專利1項，申請專利3項。2，採用磁控濺射技術在PET基底上濺射不同厚度的納米銅膜和納米鋁膜，在光學顯微鏡下原位觀察納米金屬薄膜在拉伸載荷下的變形分叉回響和損傷過程。研究表明：薄膜/基底結構在拉伸過程中薄膜經歷了均勻變形、微裂紋形成擴展和微裂紋飽和三個階段。根據分叉後微裂紋間距與界面強度關係，分析表明納米銅膜和納米鋁膜的界面強度與膜厚度有關，界面強度與臨界應變的變化規律一致。通過對材料硬化關係的匹配模擬，發現薄膜拉伸變形分叉存在三種模式：均勻變形、單一頸縮和多個頸縮。3，利用微尺度掃描X射線衍射法(SXRD)對金屬薄膜屈曲圖案上的應力分布做了研究。並利用有限元方法(FEM)對薄膜屈曲的形貌和應力分布進行計算。由以上兩種方法分別得到了鎢薄膜電話線屈曲和金薄膜圓泡屈曲的應力分布，且結果一致。在有限元模型中引入特徵屈曲模態的隨機線性組合作為缺陷擾動，來誘發直線型屈曲的二次分叉。4，採用基於圖片信息熵的調焦函式，使用基於光學調焦的三維形貌測試方法(SFF)測試了自髮型電話線屈曲三維微觀形貌。界面粘附能是薄膜/基底結構可靠性的重要參數。該方法所測的電話線屈曲三維形貌可用於測量該粘附能。使用有限元方法對薄膜屈曲進行穩定性分析，並將得到的形貌結果與SFF測量結果進行比較。為了研究分叉和屈曲區域的面內變形，系統研究了因離面位移而產生的對二維DIC方法精度的影響。5，項目利用實驗與有限元相結合的反演法，通過載入實驗使得薄膜脫離基底產生屈曲，繼續載入產生貫穿屈曲的裂紋，裂紋的產生進一步促進了界面的破壞而導致後屈曲。用擴展有限元方法（XFEM）模擬薄膜的裂紋開裂過程。6，已完成100nm，200nm，400nm三種厚度Ti膜試件的力-熱耦合回響實驗，發現薄膜表面出現貫穿屈曲的裂紋，裂紋密度隨溫度增加而增大。相同的溫度下，裂紋密度隨著薄膜厚度的增加而減少。通過測量拉伸載入過程中銅薄膜的電阻變化情況，得到薄膜電阻隨應變變化的關係，從而確定塑性階段理論曲線與實驗曲線分離的點，以此作為銅薄膜的拉伸分叉點。研究已發表期刊論文12篇，參加國際會議9人次。邀請國外學者3人次，培養博士後1人，博士生5人，碩士生9人。
