《銅基異構納米金屬多層膜變形機制與加工硬化行為研究》是依託西安交通大學，由張金鈺擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：銅基異構納米金屬多層膜變形機制與加工硬化行為研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：張金鈺
- 依託單位：西安交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目擬在剛性基體上分別製備組元層厚度(h)相等、調製周期(λ)系列變化（λ = 2h = 4 ~ 400 nm）的晶體/晶體（FCC/BCC型Cu/Mo、FCC/HCP型Cu/Zr）和晶體/非晶（Cu/Cu-Zr）Cu基異構納米金屬多層膜，採用納米壓痕法和微納柱體壓縮法測定表征Cu基納米金屬多層膜硬度/強度的(應變)速率敏感性及其力學回響，系統研究不同特徵尺寸、界面密度和異型結構下納米多層膜力學性能與變形方式隨載入條件變化規律，探索Cu基金屬多層膜巨觀塑性的微觀機制及其加工硬化行為的物理本質，嘗試定量描述多層膜的硬化行為並建立相關理論模型。通過與等厚度各組元材料單質膜的力學行為對比，澄清納米多層膜中層厚變化引起的尺寸約束和界面密度變化引起的界面約束效應，並揭示納米金屬多層膜微觀組織結構-約束效應-服役性能之間的關係。為設計高可靠性與高性能納米器件和材料提供技術支撐。
結題摘要
微納尺度多層異質金屬薄膜，已成為目前高性能微元器件以及互連結構的核心材料體系，其在複雜的微加工製備和隨後的服役過程中的變形損傷是導致系統失效的關鍵因素。本項目將傳統的材料科學與工程中微觀組織-性能關係的二維研究空間拓展到微觀組織-外觀尺寸-性能關係的三維研究空間，系統研究了具有不同特徵結構參數與界面結構/特性金屬多層膜/微納米柱體力學行為及其組元與尺寸效應，取得了以下三方面重要研究結果： （1）研究了微納尺度多晶組元材料（Cu、Ni、Zr等）薄膜力學性能的關聯性與本徵變形機制，探索了包含若干晶粒多晶微柱體中表面與界面及其耦合作用對於其力學特性的影響，闡明了納米結構組元薄膜材料中孿生協調晶粒演化的微觀機制，通過與納米多層膜材料的力學特性對比發現了同質晶界/孿晶界與異相界面在塑性變形中的本質區別，揭示了金屬多層膜與組元材料塑性變形特性隨應變演化的微觀機理，為深入理解結構材料的力學特性和變形過程提供了理論指導。 （2）研究了有/無孿晶界面的晶體/晶體Cu/X(X = Cr, Zr)與晶體/非晶Cu/Cu-Zr納米金屬多層膜/微柱體（調製比η = 1）的塑性變形特性（強度、應變速率敏感性與激活體積）與加工硬化行為及其內在/外觀尺寸與界面效應，揭示了晶體/晶體與晶體/非晶金屬多層膜/微柱體塑性變形的微觀機制與加工硬化/軟化的物理本質並闡明了二者變形行為的異同，歸納了不同界面結構的銅基多層膜塑性變形行為的一致性，提煉出晶體-非晶結構材料自韌化的微觀機制與途徑，構建/完善了基於尺寸與界面效應的金屬多層膜顯微結構-介觀變形特性的相關理論模型。這一系列研究結果不僅為合理選擇與調控金屬多層膜組元材料微觀結構、內在/外觀特徵尺寸提供了理論依據，也為最佳化多層膜材料的使役性能、提高微電子器件材料的服役壽命提供了參考，具有重要的工程套用價值。 （3）研究了的柔性基體Cu/X (X =Cr, Nb, Mo, Zr, Cu-Zr) 納米金屬多層膜拉伸性能與斷裂行為及其尺寸效應，發現了納米層狀金屬結構材料延性（與斷裂韌性）的奇異性及延性-強度的尺度律，揭示了軟相Cu層對硬相X層的異相約束效應機理，發展/建立了評價柔性基體金屬多層膜的膜/基界面結合性能的新方法/新理論以及多層膜屈曲斷裂行為的新判據，為其工程套用提供了實驗證據和理論指導。
