铜/钨酸锆功能梯度薄膜有限元法优化及制备

摘要

钨酸锆是各向同性的负热膨胀材料，对其负热膨胀性能及其复合材料的研究是当今材料科学的研究热点之一。本课题组用固相法、共沉淀法、溶胶凝胶法等制备方法得到了高纯度的钨酸锆粉体，用磁控溅射和脉冲激光溅射法制备了钨酸锆薄膜，并得到了铜/钨酸锆功能梯度薄膜。铜/钨酸锆功能梯度薄膜可用于电子器件热应力缓冲层，提高电子器件热稳定性，延长电子器件寿命。
　　 用有限元方法模拟不同技术参数制备的铜/钨酸锆功能梯度薄膜的热-应力场，可以提高研发效率，在重复实验次数的很少情况下，得到从基底层到表层热应力平缓变化的梯度薄膜。具体优化设计流程为总结以往的材料性能参数，建立数学模型模拟实际工况，得到各类铜/钨酸锆功能梯度薄膜的热-应力场特征；以数值模拟得到的技术参数制备功能梯度薄膜；表征薄膜性能，以优化后的参数带入数学模型进行验证计算，在实验3-4组后即可得到优化的薄膜技术参数。
　　 数值模拟分析过程中，用有限元软件ANSYS11.0建立了铜/钨酸锆缓冲热应力功能梯度薄膜的数学模型，讨论了梯度薄膜的层数N，成分分布指数P，梯度层厚度Hf，基片厚度Hm与纯铜层厚度Hc以及不同工作环境温度T对薄膜热应力场分布的影响。由热力学计算可知：梯度层数越多，缓和热应力效果越好。考虑到制备工艺复杂程度，参考数值模拟结果可知：当P=1 N≥5时，可以达到减小热应力最大值的效果，热应力最大值出现在基体与梯度层的界面处；当N=5，P值介于2和3之间时，热应力最大值位于梯度薄膜中间层；适量增加梯度层厚度Hf和基片厚度Hm有利于减小热应力最大值，此梯度缓冲层在室温到α相钨酸锆陶瓷的相变温度(120℃)区间内，对于各厚度的纯铜层都能有良好的保护作用。
　　 依据优化结果，用磁控溅射法制备了铜/钨酸锆功能梯度薄膜。用X射线衍射法(XRD)分析薄膜的物相组成；扫描电镜(SEM)分析薄膜的表面形貌；X射线应力测试仪对薄膜残余热应力状况进行了表征。结果表明：薄膜残余热应力分布状况和数值模拟结果相吻合。以数值模拟优化结果为依据而制备的功能梯度薄膜可以使热应力值降低到原来的72％，且热应力最大值分布在功能梯度薄膜中间层。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2有限元数值模拟方法

1.2.1有限元数值模拟方法原理

1.2.2通用有限元数值模拟软件ANSYS

1.3负热膨胀材料钨酸锆

1.3.1立方系负热膨胀材料

1.3.2钨酸锆制备方法

1.3.3钨酸锆复合材料

1.3.4钨酸锆薄膜材料

1.4功能梯度材料

1.4.1梯度功能材料概述

1.4.2功能梯度薄膜

1.5本章小结

第二章铜/钨酸锆功能梯度薄膜优化设计流程

2.1铜/钨酸锆功能梯度薄膜性能优化流程前期准备

2.1.1铜/钨酸锆功能梯度薄膜工作条件分析

2.1.2设计系列铜/钨酸锆功能梯度薄膜

2.2铜/钨酸锆功能梯度薄膜数学模型的建立及有限单元的选择

2.2.1铜/钨酸锆功能梯度薄膜数学模型的建立

2.2.2有限单元类型的选择

2.3铜/钨酸锆功能梯度薄膜优化设计流程图

2.5本章小结

第三章数值模拟优化铜/钨酸锆梯度功能薄膜技术参数

3.1有限元法计算热-应力场状态

3.1.1有限元法数值计算过程的一般假设

3.1.2有限元法模拟铜/钨酸锆功能梯度薄膜的二维稳态热-应力耦合场

3.2铜/钨酸锆功能梯度薄膜技术参数有限元优化

3.2.1缓冲热应力型薄膜的研究进展

3.2.2建立铜/钨酸锆功能梯度薄膜的数学模型

3.2.3铜/钨酸锆功能梯度薄膜数学模型材料参数计算

3.2.4加载温度载荷分析梯度薄膜各技术参数

3.3本章小结

第四章铜/钨酸锆功能梯度薄膜制备及性能表征

4.1钨酸锆陶瓷靶材的制备

4.1.1原材料

4.1.2实验

4.1.3硅基片前处理

4.2双靶同时溅射制备铜/钨酸锆复合梯度薄膜

4.2.1实验

4.2.2双靶同时溅射制备铜/钨酸锆梯度复合薄膜材料

4.3单靶位双靶轮流溅射制备铜/钨酸锆复合梯度薄膜

4.3.1实验

4.3.2单靶位双靶轮流溅射制备铜/钨酸锆复合梯度薄膜

4.3.3磁控溅射制备方法小结

4.4铜/钨酸锆功能梯度薄膜性能表征

4.4.1 X射线衍射(XRD)分析

4.4.2扫描电镜(SEM)分析

4.4.3 X-350应力测试仪分析

4.5本章小结

第五章结论与展望

参考文献

致谢

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