含有序孔洞的多孔氧化铝薄膜的弹性模量测量

高纯铝箔在特定的溶液下经过电化学阳极氧化腐蚀，可在其表面生成一层多孔的非晶氧化铝层，孔大致呈六方密排，孔径分布均匀。此类薄膜具有规则的纳米级孔径，大的比表面积，可用在微纳滤方面和纳米材料组装方面。然而，对于此类薄膜力学性能的研究较少，在一定程度上限制其功能的开发和应用。为了获得此类多孔膜的弹性常数，本文用鼓膜法结合散斑干涉实验方法、单轴拉伸结合双光束干涉法和多普勒测振仪三种方法测量氧化铝多孔膜的弹性模量，得到的宏观弹性模量基本相同，并对三种方法的优缺点进行了比较，分析了多孔氧化铝膜与块状氧化铝材料或致密氧化铝膜力学性能的差并。     

鼓膜法测定纳米多孔氧化铝薄膜的弹性模量

本文的多孔氧化铝薄膜含有直径均一、互相平行且与表面垂直的有序纳米孔阵列。它有广阔的应用前景。多孔氧化铝膜与氧化铝陶瓷材料的宏观力学性能有很大的区别。本文用鼓膜法结合实时电子散斑干涉(ESPI)技术，测量薄膜压力与离面位移的关系，再用周边固支平板小挠度模型计算出多孔氧化铝薄膜的宏观弹性模量。本实验中厚76微米的多孔氧化铝薄膜的宏观弹性模量为32.5GPa，比热压氧化铝陶瓷的弹性模量几乎小一个数量级，主要是由于晶相和细观结构不同造成的。这种方法较适合测量此类结构薄膜的力学性能。     

含有序孔洞的多孔氧化铝薄膜的力学性能测量和数值模拟

高纯铝箔在特定的溶液下经过电化学阳极氧化腐蚀,可在其表面生成一层多孔的非晶氧化铝层,其孔径分布非常均匀,孔大致呈六方密排布。由于此类薄膜具有规则的纳米级孔径,大的比表面积,良好的自组织排列性,所以其日益受到人们的关注。然而,到目前为止,对于此类薄膜力学性能的研究还很少,所以在一定程度上限制其功能的开发和应用。为了获得此类多孔膜的弹性常数,本文首先由实验出发,通过光力学检测(双光束散斑干涉)的方法得到薄膜拉伸时的整体表观弹性模量。然后对薄膜建立二维有限元模型,运用均匀化理论反推出其基体(无孔结构)的弹性模量,同时考察了不同的基体泊松比对模型整体表观模量的影响,并且用一般有限元方法验证了沿特定方向拉伸时均匀化模型计算的有效性。     

氧化铝多孔膜变形的时间序列散斑干涉法检测

本文通过鼓膜实验,利用双光束电子散斑干涉技术(ESPI)和时间序列的散斑干涉法,首先对纯铝试样鼓膜变形进行测量,并结合薄板小挠度理论计算了纯铝的弹性模量,结果与弹性模量的参考值基本相同,表明该测量变形的方法精确可行。在此基础上对二步阳极氧化法制备的氧化铝多孔膜试样的鼓膜变形进行了检测,变形检测结果为进一步研究氧化铝多孔膜的力学性能及其与微观结构的关系提供了依据和基础。     

氧化铝多孔膜振动性能的实验研究

电化学氧化法制备的氧化铝多孔膜有六角规则密排的纳米孔,其优良的结构特点使其具有良好的用途,可应用于微粒物质分离,氧化剂的载体,微电子机械系统的组件和纳米器件等。在前期研究了这种氧化铝膜的力学性能如拉伸性能和弯曲性能的基础上,本文实验研究了这种氧化铝多孔膜的振动特性即共振频率特性和振动模态,估算了该氧化铝多孔膜的相当弹性模量,与其他方法测得的相当弹性模量基本一致。     

nc-TiC/a-C纳米复合多层薄膜的制备及其摩擦学性能的研究

采用磁过滤阴极弧等离子体沉积技术,在单晶硅片上制备了不同亚层厚度和亚层弹性模量匹配的nc-Ti C/a-C纳米复合多层薄膜,采用X射线粉末衍射仪、扫描电子显微镜和透射电子显微镜对其微观结构进行表征,利用激光扫描仪对其内部应力进行测试,采用微摩擦磨损试验机表征薄膜的摩擦磨损性能,以考察多层结构设计对于薄膜机械性能的影响.结果表明:多层薄膜相对于单层薄膜可以有效降低膜层内应力,同时薄膜的减摩抗磨性能也得到了提高.亚层厚度为40 nm和相邻亚层弹性模量差距较小的nc-Ti C/a-C纳米复合多层薄膜的抗磨性能最佳.     

电镀铜薄膜力学性能的实验研究

电子器件中大量使用铜膜作为电信号通道,而且一般采用电镀工艺制成.铜膜的力学性能参数对于其热疲劳可靠性的研究非常重要.目前有关该材料的力学性能研究尚不充分,而且数据极为不统一.本文借助于纳米压痕法、声发射等实验手段对电镀铜薄膜的静态力学性能(包括弹性模量和屈服强度等)及疲劳性能进行了测试.结果发现,与大块铜材料相比,电镀铜薄膜的弹性模量低很多,但屈服强度与大块铜材料相当,甚至高出200％.同时,本文采用弯曲疲劳实验,以电阻变化为失效判据,对镀铜材料的疲劳性能进行了测试,获取了该材料不同失效判据下的疲劳寿命预测模型的系数.     

基于多功率源梯度过渡层的Si-DLC的制备及水润滑性能研究

采用溅射、反应溅射与RF-CVD技术相结合的多功率源沉积了梯度过渡层,在此基础上用RF-CVD法沉积了掺硅类金刚石膜,研究了梯度过渡层对薄膜结构、力学性能及水中摩擦学性能的影响.结果表明:梯度过渡层的引入可在一定程度上提高薄膜的sp3成分含量、硬度和杨氏模量,对增强膜基结合力,提高薄膜在水中的抗剥落性能有较显著的效果.     

结构可控多孔聚酰亚胺含油薄膜的制备及性能研究

利用SiO2硬质微球作模板制备得到多孔聚酰亚胺薄膜,通过改变SiO2微球的含量可以实现聚酰亚胺薄膜孔隙率及内部孔结构的精确控制.利用多孔聚酰亚胺薄膜的多孔结构,真空浸油得到聚酰亚胺含油薄膜.分别对聚酰亚胺含油薄膜的热稳定性能、含油性能及摩擦磨损行为和寿命进行了考察.结果表明:含油薄膜最大含油率可达40.6%,其小孔径特点决定了含油薄膜具有较高的油保持率;润滑油自身的挥发温度决定了含油薄膜的使用工况,其浸入并未对多孔薄膜本身热稳定性能产生影响;润滑油的存在很大程度上提高了多孔聚酰亚胺薄膜的磨损寿命,并随着薄膜含油率的增加而延长;在低转速摩擦条件下,含油薄膜呈现干摩擦和油润滑2种摩擦方式.     

多孔氧化铝薄膜横观各向同性弹性性质的研究

电化学阳极氧化生成的氧化铝薄膜含有高度有序的纳米孔阵列,本文首先假设氧化铝薄膜基体(无孔部分)为各向同性,结合其周期性孔结构特点和均匀化理论,可以得到氧化铝基体和薄膜弹性性质之间的关系。然后利用单轴拉伸结合电子散斑干涉(ESPI)的方法得到薄膜面内的杨氏模量为63.4GPa,并根据均匀化方法得到的基体与薄膜弹性性质的关系进一步推出薄膜横观各向同性的其它弹性参数,如基体杨氏模量等。为证明结果的可靠性,利用推出的弹性参数建立三维有限元模型,模拟纳米压痕实验,得到的加卸载曲线与实验曲线相吻合。     

阳极氧化铝基体上非晶态碳纳米纤维阵列膜的微观组织及其摩擦性能

采用乙炔热分解法在多孔阳极氧化铝膜板上制备了定向生长的非晶态碳纳米纤维阵列膜，采用场发射扫描电子显微镜、激光Raman光谱仪和透射电子显微镜观察分析了阵列膜和非晶态碳纳米纤维的组织形态和微观结构，并采用原子力显微镜和环-块式摩擦磨损试验机考察了非晶态碳纳米纤维阵列膜的摩擦性能．结果表明：以经草酸溶液二次阳极氧化得到的有序多孔氧化铝薄膜作为模板，通过化学催化气相沉积可以获得分布均匀的非晶态碳纳米纤维阵列，这种定向非晶态碳纳米纤维阵列构成的表面膜摩擦力均匀，具有优良的自润滑作用．     

纳米压痕法研究PZT压电薄膜的力学性能

PZT压电薄膜的力学性能如弹性模量、硬度等对于MEMS器件的结构设计、结构响应特性、服役性能等尤为重要。薄膜材料由于尺寸效应、表面效应等的作用，力学性能与宏观块体材料有显著差异。本文用纳米压痕法获得了PZT压电薄膜的弹性模量和硬度，考察了基底的影响，分析了退火时间对于其力学性能的影响，以及硬度和压入深度之间的压痕尺度效应。     

开孔复合材料层合板强度不确定性分析

以拉伸载荷作用下AS4/3501-6开孔复合材料层合板为研究对象,采用考虑复合材料层合板就地强度效应的有限断裂力学模型和基于方差的敏感性测度分析模型相结合的方法,研究单层板宏观力学性能不确定性对具有不同孔径和铺层顺序的开孔复合材料层合板破坏强度的影响．研究结果表明：单层板力学性能对开孔板强度影响程度的大小与孔径相关,但敏感性排序与孔径无关．同时,单层板力学性能敏感性测度与层合板铺层顺序有关,层合板各向异性比越大,开孔板拉伸破坏受单层板纤维方向拉伸强度的影响越大,而且开孔板拉伸强度与单层板纤维方向拉伸强度呈正相关,与横向弹性模量呈负相关,与面内剪切模量和纵向弹性模量不具有单调关系．     

不同调制周期MoS2/DLC多层薄膜结构及摩擦学性能

采用多靶射频磁控溅射方法,在Si(100)衬底上制备不同调制周期(Λ分别为54 nm、30 nm、18 nm)MoS_2/类金刚石(DLC)多层薄膜.利用扫描电子显微镜、拉曼光谱仪、X射线衍射仪、透射电子显微镜、纳米压痕仪研究多层膜的形貌、微观结构及力学性能受调制周期的影响规律;利用球-盘摩擦试验机考察薄膜在大气环境下的润滑性能.结果表明:采用交替沉积MoS_2/DLC多层膜可有效抑制溅射MoS_2中柱状结构生长,制备的薄膜结构致密;多层膜硬度随调制周期的增加而增大.透射断面分析表明:多层膜层间界面不平整但周期性结构清晰且致密,其调制周期厚度与试验设定值基本一致.与纯MoS_2薄膜相比,调制周期为54 nm的薄膜具有较好的法向承载及弹性恢复能力,其硬度最高,达7.15 GPa;法向载荷为5 N时,该薄膜在大气环境(相对湿度约30%)下具有最低的摩擦系数(0.09)和最低的磨损率[1.34×10~(–7) mm~3/(N·m)].     

用云纹干涉法测量和研究双层钴合金的挠度

运用云纹干涉原理对双层钴-合金材料进行三点弯曲试验,测试其常温与高温条件下的挠度值.通过大量试验,且与千分表测试的挠度值进行比较.结果表明,常温条件下的云纹测试挠度值与千分表法可以达到同样的精确度.同时,该实验方法体现了高温云纹干涉法在材料高温力学性能测试方面的优越性.高温云纹法是非接触式测量,在高温环境下有效地解决了量具高温变形的困难,且结合云纹图像可以对试件受力动态变形情况进行实时观测和分析,是一种较为精确测试常温及高温挠度的新方法.     

多孔PI/MSNT复合含油润滑薄膜的设计制备及其摩擦学性能研究

以聚苯乙烯(PS)微球为致孔剂、介孔二氧化硅纳米管(MSNT)为填充剂来改性多孔聚酰亚胺(PI)，设计制备了多孔PI/MSNT复合薄膜，并对其孔结构和形貌进行了表征；在此基础上，以液体石蜡油为存储介质制备了多孔PI/MSNT复合含油润滑薄膜，系统考察了MSNT的添加对多孔PI薄膜的热稳定性、储油性能、力学性能和摩擦学性能的影响. 结果表明:与单组分PI含油薄膜相比，MSNT的加入不仅改善了多孔PI基体的热稳定性和力学性能，而且使得复合薄膜的储油性能和摩擦磨损性能均得到了显著提高，证实多孔PI/MSNT复合含油薄膜更适用于高载荷下的摩擦工况.      

夹在两个柔性层中薄膜的正弦模态界面屈曲分析

当一层比较硬的薄膜被封闭在上下两层柔性层中,组成了三层材料结构.在压应力的作用下,这层薄膜可能会发生屈曲失稳.由可弯曲电路封装在柔性层中组成的三层材料系统能进一步提高其弯曲性能的事实得到启发,不同于广泛研究的双层材料结构表面屈曲问题,从理论上分析三层材料结构在压应力作用下的刚硬薄膜的正弦模态屈曲问题.柔性层和刚硬薄膜材料假定皆为各向同性.由于薄膜厚度远远小于柔性层厚度,柔性层在理论分析中认为是无穷厚的.刚硬薄膜可以用非线性薄板模拟,其变形为小应变但是允许有限转动,用于描述屈曲时的状态.利用线性扰动分析,得到了屈曲临界薄膜应力,波数和平衡状态下的波幅的解析表达式.结果表明,针对不同的刚硬薄膜和柔性层的弹性模量,当刚硬薄膜相对于上下柔性层越硬,就越容易发生界面屈曲.     

Ti、TiN、TiO2改性层的纳米力学性能测试与分析

采用等离子表面合金化技术,分别在316L不锈钢表面制备出渗Ti改性层、渗TiN改性层和TiO2改性层薄膜.使用连续刚度法,从截面方向和表面方向对改性层进行纳米压痕实验,研究改性层的纳米力学性能.实验测得材料在压痕过程中的载荷—位移曲线以及硬度和模量随压入深度的连续变化值.结果表明,改性层纳米力学特性表现为各向异性;TiN改性层的力学性能表现良好.TiO2改性层由渗Ti改性层经氧化制成,二者的弹性模量和硬度在截面方向上变化规律相似,在表面方向上数值相近.     

Ag—Cu／Ti纳米双层膜结合强度测试方法研究

用粘结法（拉伸法，扭转法，断裂力学方法等）和划痕法分别测试了Ag-Cu/Ti纳米双层膜的结合强度，并对其实验结果进行了分析，对比和讨论。结果表明，粘结法由于受胶粘剂粘结强度的限制，只能适用于中低结合强度测试；划痕法适用于软金属薄膜结合强度测试，尤其对高结合强度的薄膜特别有效，而且能测出双层膜及多层膜中膜－膜界面的结合强度和膜基界面的结合强度。     

Ti过渡层对NbSe2薄膜润滑-导电性能的影响

采用射频磁控溅射技术制备了系列金属钛(Ti)为过渡层的NbSe_2薄膜,分析了Ti过渡层的厚度对薄膜成分、结构和机械性能的影响,并研究了在大气环境下薄膜的润滑-导电性能.结果表明:改变Ti过渡层的厚度,可实现对薄膜中Se/Nb原子比和结晶度的调控.随着Ti过渡层厚度的增加,薄膜的致密度、膜-基结合强度及力学性能得到了明显改善.同时,NbSe_2薄膜维持原有(002)面择优取向,这利于薄膜的侧向滑移,从而提升了薄膜的减摩耐磨性能.然而,过厚的Ti过渡层会导致薄膜中Se/Nb原子比和结晶度下降,致使薄膜中游离金属元素含量升高. Ti过渡层的厚度超过30 nm时,虽然薄膜的结构仍然致密,且导电性能也有所增强,但其减摩耐磨性能却明显减弱.可见,适当厚度的Ti过渡层,才有助于提高NbSe_2薄膜的润滑-导电性能.