薄膜与微尺度材料及力学性能课题组-中国科学院金属研究所
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面向高温MEMS用超细尺度Ni/NiW层状复合材料共变形行为研究取得进展
2021-08-24  |          【 】【打印】【关闭

  随着信息技术的发展,微机械电子系统(Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS)作为整合了机械构件和电子元部件的智能器件得到了越来越多的关注。光刻铸造成型(Lithographie Galvanisierung Abformung, LIGA)是目前最具前景的MEMS加工工艺。LIGA Ni是目前应用最广泛的MEMS器件材料之一。但是,大量研究表明,LIGA Ni200 ℃以上的高温条件下服役时,往往表现出软化行为,即材料的强度随着服役温度的增加而显著降低。Ni-W合金可大幅提高材料的服役温度范围,可高达800 °C然而,细化至纳米尺度的晶粒和晶界弛豫共同提升强度的同时,会急剧降低纳米晶Ni-W合金的韧性,从而极大地制约纳米晶Ni-W合金在高温MEMS器件领域的应用前景。因此,设计制备具有良好强塑性匹配的MEMS构件用Ni-W材料来替代现有的LIGA Ni成为MEMS器件能否广泛应用的关键问题。  

  最近,课题组设计和制备了室温/高温环境下具有良好强度和韧性匹配的Ni/Ni-W层状复合材料,研究了厚度比和界面间距对其室温拉伸行为的影响。研究发现,随着Ni层对Ni-W层厚度比的增加,层状材料的强韧性匹配逐渐提升并优于单质纳米晶Ni。这是因为界面约束下稳定的晶界滑移行为对于初始厚度较小的Ni-W层塑性流变的贡献增强从而使其在拉伸过程中的薄化程度更高。针对Ni-W层的断裂行为由通道裂纹和微剪切带的并存模式向微剪切带模式的转变,提出了基于能量准则的理论模型,澄清了Ni-W层受几何尺度和流变应力水平主导的变形机制。随着界面间距的减小,层状复合材料的强度和韧性同步提高。这是因为切应力主导的稳定晶界迁移对初始厚度较小Ni层内晶粒长大的贡献被进一步放大,晶粒长大所带来加工硬化能力的回复最终导致较小界面间距的Ni/Ni-W层状复合材料出现了由微剪切带向局部应变区转变的应变去局域化过程。 

  上述研究结果发表在Acta Mater. 216 (2021) 117138. doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117138. 

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