纳米金属多层膜的热稳定性研究

Nanoscale metallic multilayers generally exhibit poor thermal stability. Thermal environment results in partial or total annihilation of layer structures and loss of the associated properties. The poor thermal stability limits high performance applications of nanoscale metallic multilayers. The factors influencing on the thermal stability of nanoscale metallic multilayers are complex and have not been studied in detail. This project presents systematic study of the thermal stability of nanoscale metallic multilayers from the point of interfaces and internal layered structures. Firstly, the effect of lattice matching, crystal structure and crystal orientation on the thermal stability of nanoscale metallic multilayers will be studied. Secondly, the effect of grain aspect ratios, parallel twins and multiple twins on the thermal stability of nanoscale metallic multilayers will be investigated. Finally, the length scale effect on the thermal stability of nanoscale metallic multilayers will be studied as well. The aim of the present project is to reveal the key factors that affect the thermal stability in order to clarify the mechanism of microstructure evolution in nanoscale metallic multilayers. This study will try to find a way to improve the thermal stability of nanoscale metallic multilayers by optimizing the materials, micro-structure and compositions, and lay foundation for design and fabrication of thermal stable nanoscale metallic multilayers.

纳米金属多层膜优异性能的实际应用是以其组织结构的稳定性为前提条件的。纳米金属多层膜在热环境下层状结构易于破坏，导致性能丧失，服役失效，无法满足稳定性需求，迫切需要建立行之有效的材料组分与结构设计准则，通过调控多层膜材料的界面特征与组元结构来提高其热环境下的服役性能。本项目拟以界面和层内微结构为突破口，从多层膜界面结构角度研究晶格匹配度、界面晶体结构、取向关系对热稳定性的影响；从多层膜层内结构角度研究晶粒长径比，平行孪晶、交叉孪晶等特殊结构对热稳定性的影响；从尺度效应角度研究调制周期和调制比对多层膜热稳定性的影响。旨在揭示影响纳米金属多层膜稳定性的关键因素，阐明纳米尺度下多层膜微结构演化机制，找到通过结构调控提高纳米金属多层膜热稳定性的方法，为高热稳定性纳米金属多层膜的设计和制备奠定必要基础。

纳米金属多层膜优异性能的实际应用是以其组织结构的稳定性为前提条件的。纳米金属多层膜在热环境下层状结构易于破坏，导致性能丧失，服役失效，无法满足稳定性需求，迫切需要建立行之有效的材料组分选择与结构设计准则，通过调控多层膜材料的界面特征与组元结构来提高其热环境下的服役性能。本项目以纳米金属多层膜的界面和层内微结构为突破口，设计并制备了fcc/fcc结构的Cu/Ag，fcc/bcc结构的Cu/Mo、Cu/V、Cu/Nb多层膜，fcc/hcp结构的Cu/Ru金属多层膜，设计并制备了包括梯度结构的Cu/Ta纳米金属多层膜以及不同尺度的高熵金属多层膜。从多层膜界面结构角度研究晶格匹配度、界面晶体结构、取向关系对热稳定性的影响；从多层膜层内结构角度研究晶粒长径比，平行孪晶、交叉孪晶等特殊结构对热稳定性的影响；从尺度效应角度研究调制周期和调制比对多层膜热稳定性的影响。.研究发现，在Cu系纳米金属多层膜中，孪晶结构的产生具有明显的尺度效应，单层厚度20nm是一个临界尺寸，大于这个尺寸时能够产生大量孪晶界面有助于降低系统界面能，从而提高热稳定性。本项目通过研究证明，纳米金属多层膜中界面结构和层内结构是影响多层膜结构稳定性的两个关键因素：通过结构设计获得具有较低界面能的异质共格晶界，能够阻挡原子扩散，提高界面稳定性；通过结构设计形成穿越界面生长的柱状晶能够抑制晶界横迁移阻碍晶粒向长大；这两个因素的协同作用对多层膜整体结构的稳定性有明显的提高作用。本项目通过结构调控最终制备出了具有高热稳定性的Cu/Ru、Cu/Mo、Cu/V等纳米金属多层膜。在Cu/Ag和Cu/Ru多层膜中通过结构调控达到力学和电学性能的最佳匹配。此外，本项目结合原位TEM研究了纳米金属多层膜的失效机制，提出了纳米金属多层膜的微结构演化模型，为设计具有高热稳定性的纳米金属多层膜提供了数据和理论支持。