金属薄膜微观结构变化对其阻尼性能影响的研究

摘要

金属薄膜具有较好的强度、硬度等力学性能被广泛应用于大规模集成电路及微机电等领域，近年来有研究发现金属、陶瓷类的硬质薄膜也具备一定的阻尼能力，但对于此类薄膜的阻尼特性及作用机理仍有待于研究。本文通过分子动力学方法、多尺度分析方法进行模拟分析，并采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、SEM原位观察实验系统及机械动态分析仪等设备进行实验研究。具体研究如下: 金属薄膜缺陷微观结构变化对阻尼性能的影响研究:对含有微裂纹的金属铜薄膜进行拉伸、冲击模拟研究，得到金属薄膜受拉伸、冲击作用时，微裂纹处有位错、空位产生，位错发生累积等现象。为探讨金属薄膜微观缺陷的变化对其阻尼的影响，进一步对含空位、位错、孪晶缺陷的铜薄膜模型施加交变载荷模拟研究，结果显示:含空位模型，在空位附近有位错产生并向前发射，位错的变化消耗外界机械能。内嵌位错模型，弛豫过程有弯结对产生，弯结对受外界载荷作用相互分开，滑移面扩大，位错线在弱钉扎点处振动，脱钉后向前发射。孪晶结构模型，位错出现在界面两侧，随着载荷的增加晶界上的原子重新排列，形成跨晶界的位错堆垛，晶界逐渐消失。模拟计算得到应力、应变关系回线，根据回线面积可求出阻尼因子，模拟结果与金属薄膜SEM原位观察实验结果基本吻合。 金属薄膜制备工艺对阻尼性能的影响研究:采用多弧离子镀技术，在基板上加不同负偏压制备出带有多孔镁铝合金薄膜。对该金属薄膜进行表面形貌表征、物相分析及阻尼性能测定，得到随着偏压的增大，较大的金属“液滴”的数量明显减少，薄膜内微孔也随偏压的增大而增多，高偏压下制备的薄膜晶粒尺寸最小，晶界数量最多，阻尼性能最高。由此说明，通过适当增加基板上的负偏压，能够有效的提高金属薄膜的阻尼性能。 多孔金属薄膜微观结构变化对阻尼性能的影响研究:基于实验制备的多孔金属薄膜建立其分子动力学模型，并进行振动模拟，结果显示:在金属薄膜缺陷附近<110>晶向上产生位错，位错可以挣脱开弱钉扎点并限制在强钉扎点上，呈阶梯状向前发射，并且金属薄膜中位错的变化及附近晶界间的相对滑动产生内摩擦，消耗了系统的部分弹性储能，模拟结果与金属薄膜阻尼性能测定结果吻合较好。 金属薄膜与基体结合面对阻尼性能的影响研究:通过对不锈钢基底的多孔镁铝合金薄膜和单尺度多孔金属薄膜的阻尼能力比较分析，发现跨尺度的不锈钢基体和镁铝合金薄膜结构的阻尼性能普遍高于单尺度的多孔金属薄膜的阻尼性能。针对这一差异，采用多尺度方法对金属膜基结构进行了模拟研究，得出宏观尺度上，应力的增加由下自上，由两边向中间增加，随着载荷时间的增加，微裂纹尖端出现应力集中，薄膜与基体结合面间应力变化不连续;在微观尺度上，微裂纹尖端陆续形成空位、空位向前发射、部分原子脱离。结果表明:金属薄膜和基体存在较大的尺度差异，使得结合面处和缺陷处应力、应变及内部微观结构等变化不连续，结合面之间产生内摩擦消耗能量，总体阻尼性能提高。 金属薄膜内部位错、空位、孪晶的变化及薄膜与基体结合面间的内摩擦等能耗，促使金属薄膜-基体结构产生阻尼行为，揭示了金属薄膜微观结构变化影响其阻尼性能的机理，为金属薄膜在航空、航天等领域的阻尼减振方面的应用提供依据。

目录

声明

论文说明

摘要

第1章绪论

1．1金属薄膜阻尼简介

1．2金属薄膜阻尼研究的背景和现状

1．2．1研究背景

1．2．2研究现状

1．3金属薄膜阻尼机理概述

1．3．1金属薄膜缺陷简介

1．3．2点缺陷引起的阻尼

1．3．3位错陷引起的阻尼

1．3．4晶界阻尼

1．3．5界面阻尼

1．4本课题研究意义、内容及目的

1．4．1课题研究意义

1．4．2课题主要研究内容

1．4．3课题主要研究目的

第2章金属薄膜微观结构分子动力学研究

2．1分子动力学理论

2．2含微裂纹金属薄膜拉伸分子动力学模拟

2．2．1金属薄膜裂纹模型建立

2．2．2金属薄膜拉伸模拟计算过程

2．2．3微结构变化过程分析

2．2．4系统的平均应力、应变关系分析

2．2．5模拟结果讨论

2．3含微裂纹金属薄膜冲击作用分子动力学模拟

2．3．1金属薄膜冲击模型建立

2．3．2模拟计算结果

2．3．3系统动能变化

2．3．4应力-应变关系

2．3．5微观结构分析

2．4本章小结

第3章金属薄膜微观结构与阻尼关系研究

3．1理想晶体模型的应变能及微观构型

3．1．1理想晶体模型建立

3．1．2交变载荷加载方式实现

3．1．3理想晶体模型微观结构变化

3．1．4理想晶体模型应力应变关系

3．2空位对阻尼性能的影响

3．2．1含空位晶体模型建立

3．2．2弛豫分析

3．2．3含空位晶体模型微观结构变化

3．2．4含空位晶体模型应力、应变与阻尼关系

3．3位错对阻尼性能的影响

3．3．1内嵌位错晶体模型建立

3．3．2弛豫分析

3．3．3内嵌刃型位错的应变能及微观构型

3．3．4内嵌位错晶体模型应力、应变与阻尼关系

3．4孪晶结构对阻尼性能的影响

3．4．1孪晶铜薄膜晶体模型建立

3．4．2弛豫分析

3．4．3孪晶铜薄膜晶体模型的应变能及微观结构

3．4．4孪晶铜薄膜晶体模型应力、应变与阻尼关系

3．5多孔缺陷对金属薄膜阻尼性能影响

3．5．1多孔金属薄膜分子动力学模型建立

3．5．2模拟结果

3．5．3应力、应变变化

3．5．4微观结构变化

3．5．5系统弹性势能变化

3．6本章小结

第4章铜薄膜阻尼机制实验研究

4．1金属阻尼薄膜制备

4．1．1实验材料

4．1．2金属薄膜制备流程

4．2金属薄膜表征及分析

4．2．1金属薄膜厚度测量

4．2．2表面形貌分析

4．2．3 EDS能谱分析

4．3扫描电镜(SEM)原位观察分析

4．3．1应力、应变变化表征金属薄膜阻尼性能

4．3．2金属薄膜内孔缺陷微观结构变化分析

4．3．3金属薄膜内线缺陷微观结构变化分析

4．4本章小结

第5章镁铝合金薄膜阻尼性能研究

5．1 XRD物相分析

5．1．1实验设备

5．1．2 XRD物相与阻尼特性分析

5．2表面形貌分析

5．2．1 SEM表面形貌

5．2．2表面形貌与阻尼特性分析

5．3镁铝合金薄膜阻尼测定

5．3．1薄膜阻尼测定过程

5．3．2阻尼测定结果讨论

5．3．3阻尼结果对比分析

5．4本章小结

第6章金属薄膜阻尼性能多尺度研究

6．1多尺度模拟方法

6．2一维多尺度模型

6．2．1模型建立

6．2．2有限单元与分子动力学耦合方程建立

6．3二维多尺度分析

6．3．1二维多尺度模型建立

6．3．2模拟计算过程

6．3．3模拟结果分析与讨论

6．4本章小结

第7章结论与展望

7．1本文主要结论

7．2工作展望

附录

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文及科研项目

作者简介