金屬材料由于其本征優(yōu)異的延展性和簡便的加工過程,在國防、工業(yè)、電子信息等各個領域,都占據(jù)著明顯的性價比優(yōu)勢和廣闊的發(fā)展前景。隨著航空航天、能源工業(yè)等行業(yè)的迅速發(fā)展,我們逐漸產(chǎn)生了對金屬材料的新需求和新技術(shù)。特別是對于關鍵部件的使用壽命問題,科研工作者傾向于研究包括硬度和韌性在內(nèi)的力學性能,因為兩者都是影響材料是否發(fā)生災難性失效的重要物理量。然而,硬度和韌性通常為一對矛盾體,即高的硬度往往伴隨著高的脆性(差的斷裂韌性)。因此,解決硬度-韌性矛盾并實現(xiàn)材料綜合性能的提高極具挑戰(zhàn),但意義重大。已經(jīng)報道的改性金屬的手段中,可以通過金屬大原子合金化達到增強增韌的目的,但是這種強化作用并不顯著。針對以上問題,本論文從另一個角度出發(fā),基于若干典型的金屬材料(第六副族過渡金屬、輕金屬Mg和導電性Cu金屬),運用非平衡的磁控共濺射技術(shù),巧妙地將輕元素(B和C)引入到金屬薄膜中進行改性。結(jié)果表明,通過小原子B摻雜到金屬W晶格中,可誘導大幅度的晶粒細化和固溶強化,達到硬度和韌性的同時提高,與相應的純金屬薄膜相比,其硬度提高了兩倍以上。進一步,我們探究了這種含有小原子的金屬薄膜的摩擦學行為,并揭示了既硬又韌的薄膜材料能夠同時表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦學性能。我們隨即借助不同的金屬-小原子體系,如W-B、Mo-B和Cr-C,提出了這種強韌化效應的普適性。相比于傳統(tǒng)含有金屬重原子的合金材料,小原子摻雜形成的固溶體結(jié)構(gòu)能夠誘導更大程度的晶格扭曲,進而最大程度上發(fā)揮固溶強化作用。同時,誘導的細晶粒也可以起到明顯的韌化效果。更重要的是,基于非平衡的濺射方法,我們可實現(xiàn)在金屬晶格中相比于平衡態(tài)更大的雜質(zhì)固溶度,即有望獲得過飽和固溶體結(jié)構(gòu),促進強韌化作用。針對輕質(zhì)Mg金屬材料,我們通過引入微量的B原子(6.6at.%)構(gòu)建了超細的Mg(B)間隙固溶晶粒(直徑~5 nm)嵌入到薄的非晶基質(zhì)(~2nm厚)的特殊納米結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了近四倍提高的硬度,同時Mg金屬本征的延展性得以保留。另一方面,我們還考慮了金屬和小原子不相容的情況,對典型的導電Cu金屬薄膜進行了不同B含量的摻雜改性研究。結(jié)果表明,通過更大濃度的B原子引入,我們設計并合成了超細的Cu(B)間隙固溶體晶粒(直徑~5 nm)嵌入到湍流狀B基質(zhì)的特殊微結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)能夠結(jié)合兩相的優(yōu)勢,充分發(fā)揮強化效果,使Cu金屬展現(xiàn)類陶瓷的高硬度(~10.3 GPa,比純Cu高三倍)和優(yōu)異的耐磨損性能,同時,該結(jié)構(gòu)保持了Cu本征的金屬延展性和高的彈性回復。更神奇的是,該結(jié)構(gòu)對Cu的導電性基本無影響,使其成為高強且高導電的Cu材料。我們相信,本論文的發(fā)現(xiàn)為開發(fā)新型的高性能且多功能的金屬基合金材料提供了一條新思路。
【學位單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TB383.2;TG174.4
【部分圖文】：

吉林大學碩士學位論文度（強度/重量比）的限制。雖然有些金屬（如過渡族金屬）具有相對度和剛度，但是因為它們的密度較大（如鋼的密度幾倍高于陶瓷和聚合其強度/重量比（剛度/重量比）明顯低于其他材料（圖 1.1）�？紤]到重對于飛機和體育器材等應用也很重要，這導致了在一些特殊用材方面取代了金屬。有些金屬如 Al 和 Mg 的重量很輕，但它們太軟，以至于多需要高強度的應用場合。除此之外，考慮到結(jié)構(gòu)材料在應用過程中摩擦和磨損現(xiàn)象，金屬相比于陶瓷材料，具有本征低的硬度，因而極過程中發(fā)生磨損。而基于摩擦過程中生成的金屬氧化物又極易導致高數(shù)，這些都將增加設備運行的能耗，無形中增加生產(chǎn)成本。以上種種成為限制金屬材料更廣泛應用的主要瓶頸。

圖 1.2 典型的載荷-位移曲線[4]Figure 1.2 Typical load displacement curve[4].化機制的提高往往是通過向結(jié)構(gòu)中引入阻礙位錯及晶界運動的屬樣品來說，目前提出的主要的強化機制可分為以下強化材料的塑性變形往往產(chǎn)生于位錯的萌生和運動，而位錯位錯源。在外加應力作用下，這種位錯會在晶體內(nèi)部發(fā)阻礙位錯運動的障礙物才會停止。而在晶體內(nèi)部，晶界是存在錯配度大的原子排列，能夠形成一定的應力場阻礙久之，晶界處便會塞積大量的位錯，稱為位錯的釘扎效

圖 1.3 金屬 Cu 的強度隨晶粒尺寸變化的文獻數(shù)據(jù)匯總[17]igure 1.3 Summary of literature data of the Cu strength variationfollowing grain size[17].ll-Petch 強化機制早在 1950 年就被提出來了[18]。對于該強化機制，用于軟質(zhì)的金屬材料中，如圖 1.3 所示，Dao 等人[17]匯總了關于金屬拉伸屈服強度，σy）隨晶粒尺寸d變化的文獻數(shù)據(jù)，而擬合出了Hall-，事實證明，Cu 材料的強度基本上隨著晶粒尺寸的減小而呈現(xiàn)逐漸。該強化效應同樣出現(xiàn)在其他的金屬材料體系，如 Al 合金[19, 20]、MTiAlV 合金[23]和 CoCrFeMnNi 合金[24]等。界強化管 Hall-Petch 效應能夠在一定程度上提高材料的硬度和強度，但有證明，該定理只能夠在較粗晶粒的材料（晶粒尺寸>~30 nm）中發(fā)

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1 ;日本開發(fā)出粘接建材的新技術(shù)[J];水利水電工程造價;2002年04期

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7 盧進軍;李向陽;孫雪平;;膜層厚度對金屬薄膜光學常數(shù)的影響[J];光學技術(shù);2012年05期

8 ;金屬薄膜成形新技術(shù)[J];金屬功能材料;1999年01期

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3 高黨忠;;自支撐金屬薄膜厚度測量技術(shù)[A];中國工程物理研究院科技年報(2009年版)[C];2010年

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5 王瑞;吳敢;楊建平;陳學康;;高低溫循環(huán)過程中復合材料表面金屬薄膜微裂紋抑制技術(shù)研究[A];第三屆空間材料及其應用技術(shù)學術(shù)交流會論文集[C];2011年

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9 馬鋒;羅崇泰;王多書;陳燾;葉自煜;劉宏開;李錦磊;熊玉卿;;用于激光直寫灰度掩模的二元金屬薄膜的制備及光學性質(zhì)[A];中國真空學會2008年學術(shù)年會論文摘要集[C];2008年

10 亓東鋒;劉翰輝;陳松巖;Costas.P.Grigoropoulos;;納秒脈沖激光與金屬薄膜材料相互作用的瞬態(tài)研究[A];第十二屆全國硅基光電子材料及器件研討會會議論文集[C];2017年

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2 記者 馮衛(wèi)東;新方法制作金屬薄膜便宜到令你想不到[N];科技日報;2015年

3 ;鍍金屬薄膜緊逼鋁箔地位[N];中國包裝報;2005年

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本文編號：2821343