纳米金属多层膜屈曲变形行为的组元效应与尺寸效应研究

Nanostructured Cu/X (X = fcc Ni, bcc Cr and Mo, hcp Zr and Mg, amorphous CuZr) multilayer films will be prepared on polyimide substrate with a series of modulation period and modulation ratio, respectively. After uniaxially stretching the flexible nanostructured multilayer films (NMFs), buckling behaviors on the films will be characterized and statistically analyzed by measuring the width and height of the buckles. This project is aimed to (i) clarify the constituent effect and size effect and their interplay on the buckling behaviors, from the comparisons among the NMFs with different interfacial structures, different X constituent layers, and different modulation structures; (ii) reveal the underlying mechanism for the buckle cracking that will occur in some specific constituents and modulation structures; (iii) propose the criterion for buckle cracking that will be correlated to the mechanical properties of the NMFs. On the other hand, attention will be also paid on the development of buckling-based method to evaluate the adhesion energy of the NMFs/polyimide interface. With the progress in characterizing method, it will be possible to well understand the relationships of NMFs/substrate interfacial bonding-mechanical properties-buckling behaviors. These results should be helpful for the property optimization and material/structure design of NMFs, especially with the provided method for quantitatively determining interfacial adhesion.

本申请拟在聚酰亚胺基底上分别制备具有不同调制周期和调制比的Cu/X (X = fcc结构Ni, bcc结构Cr和Mo, hcp结构Zr和Mg，以及非晶CuZr)纳米金属多层膜，经单轴拉伸后观察并定量统计表征屈曲的形态和几何尺寸，系统研究纳米金属多层膜的屈曲变形行为。通过不同层间界面结构、不同组元匹配和不同调制结构之间的对比，阐明组元效应和尺寸效应对纳米金属多层膜屈曲的单独和耦合影响；通过屈曲开裂共性规律和个性特征的归纳和总结，澄清屈曲开裂的内在机制及主要控制因素；提出屈曲开裂的宏观判据，并与纳米金属多层膜的力学性能相关联。同时，发展柔性基底上纳米金属多层膜膜基结合能的翘曲法表征技术和理论模型，在此基础上建立起膜基结合-力学性能-屈曲行为之间的联系。研究结果不仅可以为相关领域膜基体系的选择和评价提供表征技术支持，同时也为纳米金属多层膜的性能优化和材料/结构设计提供理论参考和评判标准

屈曲是附着型薄膜材料一种典型的变形及失效形式，尤其是对于柔性基板上的金属薄膜更为重要。尽管柔性基底上单层金属薄膜的屈曲变形行为已经得到了一定的研究，但是纳米金属多层薄膜的屈曲变形还少有研究。本项目立足这一国际研究前沿，结合前期优势工作基础，对比开展了不同层间界面结构、不同组元匹配和不同调制结构纳米金属多层膜的屈曲变形行为，取得了以下主要进展：. (1) 澄清了纳米金属多层膜屈曲行为组元效应的内在影响机制及主要控制因素，提出一个由膜基界面结合能、多层膜断裂韧性和弹性模量组合而成的复合参量，来定量表征屈曲模式的转变。. (2) 揭示了不同组元匹配纳米金属多层膜屈曲行为随调制周期和调制比变化演变的共性规律和个性特征，建立了柔性基板上纳米金属多层膜的开裂图谱和屈曲图谱，并提出了定量判据。. (3) 提出柔性基底上纳米金属多层膜膜基结合能的屈曲测定方法及适用范围，为研究膜基体系界面状态对变形性能和力学性能的影响提供了有效的实验手段和技术支持。. 发表SCI文章23篇，包括Acta Mater. 3 篇、Inter. J. Plasticity 3篇、Nanoscale 3篇和Scripta Mater. 6篇，获授权国家发明专利3项。在本领域重要的国内外学术会议上做邀请报告13次。荣获国家自然科学二等奖1项。项目执行期内，负责人荣获国家杰出青年科学基金资助，入选中组部万人计划科技创新领军人才计划，并受聘教育部长江学者特聘教授。培养硕士/博士毕业研究生10余人。