Ti-Nb合金薄膜因其形狀記憶效應(yīng)和良好的生物相容性引起廣泛關(guān)注.本文通過調(diào)節(jié)Ti-Nb合金薄膜中的Nb含量,實(shí)現(xiàn)了對(duì)薄膜表面和橫截面微觀形貌、晶體結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能的調(diào)控.研究發(fā)現(xiàn),隨著Nb含量的增加,薄膜表面微觀形貌從圓整顆粒狀過渡到互相交織的針葉狀;晶粒從貫穿橫截面的柱狀晶過渡到介于等軸晶和柱狀晶之間的狀態(tài);薄膜晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出（211）β晶面逐步取代（103）α晶面并最終由β單相組成的演變過程. Ti-16Nb（原子百分比,下文同）和Ti-20Nb薄膜納米壓痕實(shí)驗(yàn)的加載曲線上出現(xiàn)pop-in現(xiàn)象,證實(shí)其存在超彈性,對(duì)應(yīng)的馬氏體相變臨界載荷分別為1761和2247μN(yùn). Ti-20Nb薄膜由于相互交織的針葉狀組織,其硬度值達(dá)到7.43±0.12 GPa,屈服強(qiáng)度提高至2.64±0.07 GPa.同時(shí),β單相的晶體結(jié)構(gòu)使得Ti-20Nb薄膜彈性能量回復(fù)率大幅提升至53.49%±0.94%,從而提高薄膜抵抗塑性變形的能力,可保證MEMS器件在使用過程中的控制精度,并延長其使用壽命. 

【文章來源】：中國科學(xué):技術(shù)科學(xué). 2020,50(06)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：10 頁

【部分圖文】：

(網(wǎng)絡(luò)版彩圖)不同Nb含量的Ti-Nb合金薄膜的表面微觀形貌圖.(a)Ti-8Nb;(b)Ti-13Nb;(c)Ti-16Nb;(d)Ti-20Nb

圖5為不同Nb含量的Ti-Nb合金薄膜的XRD衍射圖譜.由圖5可以看出,當(dāng)Nb含量為8%時(shí),薄膜由β相(bcc)和α相(hcp)共同組成,無明顯的擇優(yōu)取向;當(dāng)Nb含量增加到13%時(shí),Nb元素穩(wěn)定β相的作用明顯出現(xiàn),(211)β晶面逐漸長大,而(102)α晶面和(110)α晶面逐漸被抑制;進(jìn)一步增加Nb含量至16%時(shí),XRD圖譜顯示出(211)β晶面逐步取代(103)α晶面的趨勢(shì),此時(shí)隨著Nb含量的增加,β相越來越穩(wěn)定,所占比例也越來越大;直至Nb含量增加至20%,薄膜完全由β單相組成,即β相鈦合金被穩(wěn)定在室溫,而且(110)β晶面逐漸長大,薄膜存在明顯的擇優(yōu)取向.此結(jié)果符合鈦合金d電子理論相關(guān)計(jì)算[19,20],隨著Nb含量的增加,鈦合金β相越來越穩(wěn)定.薄膜的擇優(yōu)取向取決于最低總能量,應(yīng)變能和表面能與此密切相關(guān).當(dāng)Nb含量小于20%時(shí),應(yīng)變能較小,總能量主要取決于表面能.而{110}β具有最低表面能,所以呈現(xiàn)出(110)β?lián)駜?yōu)取向.

式中,β是與壓頭形狀有關(guān)的常數(shù);A為在最大載荷下壓頭和試樣之間的接觸面積;S為接觸剛度.Er與材料和壓頭的組合變形行為有關(guān),表征壓頭和試樣兩者的彈性性能,定義為式中,E和υ分別為試樣的楊氏模量和泊松比,Ei和υi分別為壓頭的楊氏模量和泊松比.對(duì)于金剛石玻氏壓頭,Ei=1140 GPa,υi=0.07.材料的彈性模量可通過此公式計(jì)算獲得.

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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本文編號(hào)：3451834