合金及半导体材料性能的温度相关性理论表征方法研究

摘要

金属材料因其优越的热、力学性能被广泛应用于航空航天、能源、电力等工业工程领域，在高温构件中扮演着十分重要的角色，被应用于高温领域的金属材料的力学性能和常温下有很大的差异。在国际上，高温强度一直是材料科学与工程学科中最活跃的研究领域之一，表征和提高金属材料的高温力学性能一直是高温领域研究的重点和热点。但是，由于复杂的高温实验环境难以营造，测量工作更是面临极大的挑战，目前的实验温度和实验条件还难以完全满足工程应用的需求。尽管金属材料的高温实验研究和常温理论研究已经达到了很高的水平，但是金属材料的高温力学性能理论表征方法仍然相对滞后，温度相关性理论表征模型屈指可数，且大都是基于唯象方法建立的半经验模型，不便于深入理解物理现象背后的潜在机理和实际的应用。因此，进一步深入研究和丰富高温强度理论，建立更具物理机理的温度相关性理论表征模型对更广泛金属材料高温力学性能进行表征和预测迫在眉睫，同时也是高温金属材料力学性能研究急需突破的难点。同样，半导体材料在电子信息领域的地位举足轻重，但因其在使役过程中常伴随着温度的大幅度变化，会对其光、电学性能产生显著影响。而半导体器件在工作中需要保持较高的精确度和灵敏度，这就对半导体材料非常温下的光、电学性能的研究提出了迫切的需求。研究并分析不同温度下控制半导体材料光、电学性能的各种机理及其随温度的演化规律，建立能揭示其物理机理及其随温度演化规律的温度相关性理论模型，将有助于半导体材料高温下的设计和应用。 本文将本课题组提出的考虑温度对材料性能影响的建模思想应用于金属材料和半导体材料中，主要采用理论表征手段，研究了应变率对体心立方金属材料温度相关性屈服强度的影响、沉淀强化对镍基高温合金温度相关性屈服强度异常行为的影响及其随温度的演化规律；研究了温度对半导体材料带隙能和折射率的影响，并建立了相应的理论表征模型。具体的研究工作如下： （1）在可考虑热能与畸变能对塑性材料屈服影响的建模思想的基础上，研究了应变率对金属材料温度相关性屈服强度的影响，分析了应变率效应随温度的演化机制，结合前期建立的温度相关性屈服强度模型，建立了可计及应变率效应的温度相关性屈服强度模型。该模型建立了屈服强度与温度、应变率、杨氏模量、泊松比和材料定压热容之间的定量关系，同时提出了用应变率敏感性因子来考虑温度和应变率耦合作用对屈服强度的影响。与现有的屈服强度模型相比，该模型包含拟合参数更少且使用起来更加方便。模型得到了系列铁基体心立方金属材料实验数据的验证，并用该模型对温度和应变率相关性屈服强度进行了合理预测。该研究提供了一种更加简单有效的手段来预测金属材料不同温度和应变率下的屈服强度，进一步为材料应用、可靠性设计提供了一定的指导。 （2）结合前期建立的金属材料温度相关性屈服强度模型和传统的沉淀强化理论，研究了γ′相沉淀对镍基高温合金温度相关性屈服强度的影响，针对γ′相沉淀强化镍基超高温合金的屈服强度异常行为，建立了可考虑沉淀强化影响的温度相关性屈服强度理论模型，并对该模型进行了实验验证，模型预测结果与系列实验结果取得了很好的一致性，证明了该模型优异的预测能力。本研究为γ′相沉淀强化镍基高温合金屈服强度异常行为的预测提供了一种定量的理论表征方法。 （3）将前期考虑温度对材料性能影响的建模思想成功应用到半导体材料中，针对半导体材料的温度相关性带隙能，提出了一个新的、没有任何拟合参数的温度相关性带隙能理论模型。该模型考虑了影响带隙能的两个主要因素（热膨胀和声-电相互作用）随温度的演化。利用该模型对系列半导体材料的温度相关性带隙能进行了理论预测，并与可获取的温度相关性带隙能实验结果进行了对比。模型的预测结果与实验结果取得了很好的一致性。与广泛使用的Varshni半经验模型相比，该模型在建模思想、物理意义及实际应用方面具有明显的优势。该研究提供了一种简便的方法来确定不同温度下半导体的带隙能，同时也有利于半导体材料其它电学特性包括本征载流子浓度、本征转变温度和最大击穿电压等的理论研究。 （4）结合前期工作中提出的温度相关带隙能量模型和经典的 Moss 关系，研究了温度对半导体材料折射率的影响，建立了一个新的温度相关性折射率的理论模型。该模型将不同温度下的折射率与任意参考温度下的折射率、带隙能和线膨胀系数联系起来，可用于预测从绝对零度到高温下半导体材料的折射率。为了验证该模型，我们计算了系列半导体材料在不同温度和波长范围内的折射率，并与实验结果进行了对比。在远离带缘区域，理论预测结果与实验结果取得了很好的一致性。在近带缘区域，红移对折射率有明显的影响，随之给出了可考虑红移效应的具体方法，建立了可考虑红移的折射率模型，并给出进一步的验证和讨论。该研究提供了一种新的理论方法去预测不同温度和波长下半导体材料的折射率，为光学设备和器件的优化设计提供了一定的参考。

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