電鍍沉積對金屬玻璃絲力學性能的調控

《電鍍沉積對金屬玻璃絲力學性能的調控》是依託上海大學，由易軍擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：電鍍沉積對金屬玻璃絲力學性能的調控
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：易軍
• 依託單位：上海大學

中文摘要

金屬玻璃絲是新型的微納米尺度高強度材料。在亞微米尺度，金屬玻璃絲有很高的強度和很好的均勻塑性。而微米尺度的金屬玻璃絲在拉伸載荷下由於剪下帶的產生而發生災難性的斷裂。本項目將用電鍍沉積的方法減緩金屬玻璃絲局域剪下形變的動力學不穩定性，以提高微米尺度金屬玻璃絲的拉伸塑性。首先，我們會探索電鍍沉積工藝，製備出均勻且有高界面質量的鍍層金屬。我們將在此基礎上總結電鍍工藝、鍍層金屬成分和厚度對金屬玻璃絲力學行為的調控規律。最後我們會通過原位拉伸測試和變形過程中的結構演化表征揭示電鍍金屬對金屬玻璃絲力學行為調控的物理機制。

結題摘要

金屬玻璃由於其原子排列長程有序且短程無序，沒有位錯、晶界和孿晶等晶體結構缺陷，因而具有優異的力學與功能特性。金屬玻璃絲能夠進一步拓展金屬玻璃的力學與功能特性，如更高的強度和更好的塑性、優異的應變敏感特性、優異的電化學催化性能、巨磁阻抗效應等，具有很好的套用前景。面向不同的套用，需要不同的製備工藝製備金屬玻璃絲。而有些工藝，如水紡法、泰勒法和模壓法會使金屬玻璃絲變脆。因此，需要尋求新的方法韌化金屬玻璃絲。研究表明，在塊體金屬玻璃表面電沉積純銅或純鎳等韌性金屬材料能起到提高壓縮塑性的作用。本項目在此啟示下，採用電沉積工藝增加金屬玻璃絲的韌性。 在研究電沉積調控金屬玻璃絲韌性之前，我們研究了製備工藝，尤其是冷卻速率對金屬玻璃絲拉伸力學行為的影響。我們使用熔體抽拉法製備金屬玻璃絲，純銅刀刃的轉速決定了金屬玻璃絲的直徑大小。轉速越快，直徑越小，冷卻速率也越大，金屬玻璃絲中的自由體積越多。我們用Mohr-Columb準則對這些金屬玻璃絲的屈服與斷裂行為進行了分析，計算了金屬玻璃絲的內聚強度。結果表明內聚強度隨金屬玻璃絲冷卻速率的增大而增大。這一工作揭示了金屬玻璃絲屈服行為與其自由體積分數大小之間的內在聯繫。 金屬玻璃絲與電沉積金屬之間的結合屬於機械結合，所以對金屬玻璃絲表面摩擦行為的研究是必要的。我們採用納米劃痕的方法進行研究，用去線性擾動分析方法劃痕載荷的時間尺度和粘滑運動動力學行為。考察了劃痕載荷時間尺度上的自相似性。不同劃痕載荷下差分摩擦係數的置信區間說明了劃痕過程是一個非均勻剪下帶形成的過程。 在以上基礎上，我們調整電沉積工藝，當鍍銅的電流密度小於1 mA/mm2時，電沉積金屬鍍層與金屬玻璃絲之間有一個良好的結合。在拉伸的過程中，鍍層與金屬玻璃絲之間始終保持同步變形，沒有出現鍍層與金屬玻璃絲滑脫的現象。拉伸實驗結果表明，當銅鍍層的體積百分數小於45%時，鍍層與金屬玻璃一起發生剪下斷裂。當鍍層體積百分數超過這一數值時，鍍銅金屬玻璃絲開始出現塑性變形。當鍍層體積百分數達到97%時，拉伸塑性達到7.1%。SEM觀察結果表明這個表觀拉伸塑性是由於大量剪下帶造成的。同時我們還注意到，金屬玻璃絲上沒有出現緊縮現象。