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实现金属复合材料强度和塑性“双高”
中国复合材料学会 / 邢岫烟 / 2020-06-30 14:27:36
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“金属材料通常具有优异的强度、塑性及导电性,但众所周知,这三种性能互相排斥,就像鱼和熊掌,难以兼得。”研究人员介绍说。如何同时提高金属材料的三种性能,消减性能间的制约,一直是金属材料领域的研究难点。近日,操振华团队研究出新方法可同时提高纳米结构金属材料的强度、塑性和导电性。这一全新的结构设计还可有效推广到其他金属体系。

金属材料广泛应用于海洋、航空航天、建筑、汽车及微电子等领域,是推动工业发展的重要基础性材料。在金属的应用过程中,无论是强度还是塑性,如果达不到要求,都可能造成事故,比如,建设的桥梁容易断裂,汽车减震功能大打折扣,电脑和手机等精密仪器容易出现死机、卡顿等情况……金属材料中强度与塑性“倒置关系”这一“普适性”科学问题同样存在于纳米结构金属中。随着金属材料晶粒尺寸或几何尺寸减小至微纳米尺度,纳米金属强度显著提升,由于受纳米尺度空间的约束,导致其缺乏应变硬化能力,塑性下降。

纳米金属薄膜是手机芯片、电脑CPU的微电子器件与微机电系统主要组元材料之一,设计制备出高强度高塑性纳米金属,并建立微纳米材料性能变异的新理论和新方法是信息、电子及纳米等技术发展的基础。“由于超深亚微米加工技术不断突破,电子元器件按照Moore定律的预测不断微型化发展,逐步实现手机和电脑的微型化和智能化。而其中用到的金属Cu作为新一代微电子器件中重要的互联材料,其特征尺度也降低至10nm以下,由此导致其力学特性的显著变化会影响微电子微器件使用性能与工作寿命。”研究人员 补充说道。

“我们以纳米金属Cu为研究对象,采用‘bottom-up’方法,即利用直流磁控溅射技术,在金属Cu膜中引入超薄的金属Ta层,尺寸近似等于晶界的厚度,即起到类似‘人工晶界’的作用。”研究人员在分享科研思路时说,“通过调节Ta层的间距,从而获得具有梯度晶粒与等尺寸晶粒的两种层状结构金属复合薄膜,采用纳米压痕与原位压缩测试力学特性,结果发现,金属复合薄膜的屈服强度和均匀塑性应变最高分别达到1GPa和70%。”,研究人员成功设计出兼具高强度与高塑性的纳米结构金属材料,同时发现梯度晶粒金属展现出硬化指数为1的线性应变硬化行为。

为了进一步揭示材料强化的内部机制,采用大规模分子动力学模拟研究了其塑性变形过程。由于该金属薄膜的表面为大晶粒尺寸,约280nm,远远大于金属Cu电子散射自由程(39nm),可以预见该薄膜表面具有良好的导电性。据透露,这一全新的结构设计还可以有效推广到其他金属体系,也为高性能纳米金属的设计与制备开辟了新思路。

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