纳米金属多层膜延性和疲劳性能的约束效应研究

本项目拟在柔性基板上分别制备不同单层厚度和不同调制比的Cu/Ta(fcc/fcc型)和Cu/Cr(fcc/bcc型)纳米多层膜，采用微裂纹密度统计法和实时电阻变化监测法测定表征多层膜的延性和疲劳寿命，系统研究不同薄膜尺寸、界面数量和异质结构下多层膜各力学性能和损伤行为的变化规律，揭示强度和延性等静态力学性能指标对疲劳行为和疲劳性能的影响。通过与等厚度组元材料单层膜的力学性能和变形/损伤行为对比，澄清纳米多层膜中单层厚度变化引起的尺寸约束和界面数量变化引起的界面约束效应。开展TEM下原位实验，测定多层膜的载荷－位移曲线并同步观察微观组织动态演变，直观揭示约束作用对微观变形机制的影响，明确宏观性能约束效应的微观机理。研究结果不仅对应用于集成电路和微机电系统中的膜基器件的服役可靠性评价具有实际意义，同时也对深入理解材料微观约束变形与性能响应之间的关系提供理论依据。

以Cu/X(X=Cr, Nb, Zr)纳米金属多层膜为研究对象，重点研究了变形与断裂的约束效应和复合效应及其尺度依赖性，取得的主要研究进展如下：.(1) 提出了纳米金属多层膜硬质层先断裂、软层约束裂纹扩展的断裂机理，建立起了纳米多层膜的微观力学断裂模型，合理解释了多层膜延性和断裂韧性随单层厚度减小非单调变化并出现极大值的实验现象；(2) 揭示了纳米多层膜变形行为的内在与外在尺寸竞争效应，发现当内在调制周期大于20nm临界尺寸时，变形主要由内在尺寸所控制；反之，内在和外在尺寸对多层膜微柱试样变形行为的影响相当；(3) 提出了纳米金属多层膜疲劳性能的测试表征方法，总结归纳了调制结构尺寸效应、约束效应和复合效应对疲劳性能的影响规律。.本项目的研究结果有助于理解纳米尺度下层合材料的变形断裂行为，可为相关材料设计和性能优化提供借鉴。