不互溶纳米多层膜中“Ｚ”字型高温稳定微结构的形成机理

本项目拟对不互溶纳米多层膜在高温下的"Z"字型稳定微结构的形成机理，采用数值模拟与实验相结合的方式，展开系统深入的研究。共分为三部分：1）建立物理上完整且数学上简单的不互溶纳米多层膜的微结构演化模型并编程实现。2）实验制备不互溶纳米多层膜，观察多层膜微结构的演化过程；实验制备块体材料的单个三叉点和块体单晶与纳米多晶之间形成的三叉点阵列，测量其高温下的演化动力学轨迹，获取三叉点的迁移率，用以标定模型中的部分输入参数。3）进行各种参数下纳米多层膜微结构演化的模拟，并结合实验观察分析其规律，在此基础上获得纳米多层膜的微结构演化图谱，分析"Z"字型稳定微结构的形成机制与必要条件。.进一步深入研究高温下纳米多层膜材料的这一新的微结构稳定机制，为纳米多层膜材料的设计和使用寿命的估算以及在高温下力学性能和其它物理性能的分析提供有力帮助。

本项目通过建立相界，晶界以及三叉点等微结构协同演化的动力学模型，结合Cu/Nb纳米多层膜高温退火实验，研究了不互溶纳米多层膜中“Z”字型微结构的形成机理及其稳定性因素。研究结果显示，“Z”字型微结构的形成需要以下两个条件：(a)多层膜的初始形貌须为晶粒同向错开构型，即每上层的晶粒相对邻近下层往同一个方向错开，且错开尺寸小于半个晶粒长度；(b)三叉点能沿偏离初始竖直晶界的路径上运动，由三叉点处非平衡的界面张力来决定。 通过改变初始结构中的层厚与晶粒长度的比值(即晶粒尺寸纵横比)以及错开距离与晶粒长度的比值，得到了Cu/Nb多层膜“Z”字型稳定微结构的形成图谱，同时基于简化的几何结构考虑，推导出了不互溶多层膜“Z”字型微结构的稳定性判据，该图谱和判据与实验结果都符合得较好。此外，研究发现多层膜层状结构的稳定性与晶粒的堆垛方式有关。晶粒对齐堆垛构型(柱状晶组织)具有最好的抗层内脱离的能力，其次是能够形成“Z”字型微结构的晶粒同向错开堆垛构型，接下来的是晶粒双向交替错开堆垛构型，最差的则是晶粒半错开堆垛构型。这些结果可为不互溶多层膜高温稳定性的设计和使用寿命的预测提供帮助。.在本项基金的资助下，同时开展了完全互溶纳米多层膜中原子互扩散导致的界面锐化以及混溶速率的研究。基于相场理论，建立了物理上较为完善且数学上相对简单的互扩散动力学模型，并以此讨论了共格应力和空位源对纳米多层膜界面锐化和混溶速率的影响。该研究可以为完全互溶纳米多层膜的界面锐化度的改进以及层状结构的寿命预测提供帮助。