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Cu/Ni纳米多层膜微观强化机理及微摩擦学特性的分子动力学模拟

作　者: 程东
导　师: 严立；王亮
学　校: 大连海事大学
专　业: 载运工具运用工程
关键词: 多层膜分子动力学纳米压痕失配位错电化学沉积
分类号: TB383.1
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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引　用: 3次
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内容摘要

多层膜材料具有整体材料和任何单一组分薄膜难以达到的各种特殊性能,能满足各种特殊应用需求,近年来这方面的研究引起了人们的极大关注,成为薄膜材料的研究热点之一。对于多层膜的研究目前多集中在多层膜性能的实验测试及强化机理的理论分析,从研究方法上看各有其局限性。本文建立了Cu/Ni 多层膜的纳米压痕、微摩擦磨损的分子动力学模型,模拟了多层膜在纳米压入和微摩擦过程中的应力分布、位错的形成及扩展规律,研究了界面结构的形成及对位错运动、界面强度的影响,建立了膜层性能与微观结构之间的关系,从原子尺度揭示了Cu/Ni 多层膜的强化机理和摩擦学特性。本文所做的创新性工作及有关重要结论可总结如下: 1.采用OpenGL 三维虚拟现实技术,利用VC++.Net 平台自行开发了分子动力学模拟程序,并运用该程序建立了原子尺度的纳米压入的模型。该模型的特点是定义了刚性的压头,并以与压头相接触的截断半径以内的原子所受的力为压头的载荷。模拟结果表明:在原子尺度材料表现出一定程度的滞弹性,会对纳米压入的结果带来影响,本文采用的解决方法是在卸载前让系统充分地松弛;单晶体材料由于其各向异性,纳米压入过程中最大剪切应力的位置并不在压头的正下方,而且与位错产生的位置也不一致;对于面心立方金属,位错首先产生在{111}滑移面上,并在这些面上进行扩展,最终形成位错环;压头尺寸的变化影响到了材料内部的受力状态,从而影响了对材料性能的评价;而材料在原子尺度的滞弹性使得模拟结果(如产生位错时的压入深度、载荷及最大剪切应力值)是与压入速度相关的。2.模拟了Cu-Ni 界面失配位错的网状空间分布及对Cu/Ni 多层膜力学性能的影响。Cu/Ni 多层膜界面的失配位错根据薄膜外延生长的晶面不同分别为三角形和方形的网状结构,并且由于相同界面及不同界面位错间的相互作用而形成稳定的空间网络。该网状结构对滑移位错具有一定的阻碍作用,并且,在外加载荷作用下位错网的变形也需要消耗一定的能量,从而使Cu/Ni 多层膜得以强化。但这种强化作用依赖于Cu/Ni 多层膜的调制波长。当调制波长大于临界值λc时,失配位错的应力场随膜层厚度变化不大;当调制波长小于临界值λc时,失配位错对滑移位错的阻碍作用减弱,而且失配位错所形成的应力集中也使多层膜的性能弱化了。

全文目录

第1章绪论  12-28
  1.1 多层膜的概念  12-13
  1.2 多层膜的特性  13-19
    1.2.1 力学性能  13-16
    1.2.2 多层膜的强化机理  16-18
    1.2.3 巨磁电阻效应  18-19
    1.2.4 光学特性  19
  1.3 多层膜的制备方法  19-21
    1.3.1 物理方法  19-20
    1.3.2 化学方法  20-21
    1.3.3 电化学方法  21
  1.4 多层膜性能的主要研究方法  21-25
    1.4.1 实验方法  21-22
    1.4.2 理论研究方法  22-25
  1.5 本文的研究思路、目的、意义及主要内容  25-28
    1.5.1 研究思路  25-26
    1.5.2 研究目的及意义  26
    1.5.3 本文的主要内容  26-28
第2章分子动力学模拟及在纳米摩擦学中的应用  28-42
  2.1 分子动力学方法简介  28-36
    2.1.1 确定研究对象  29
    2.1.2 势函数模型  29-32
    2.1.3 边界条件及温度的调节  32-33
    2.1.4 算法  33-36
  2.2 分子动力学模拟在纳米摩擦学中的应用  36-41
    2.2.1 纳米压痕  36-37
    2.2.2 微摩擦  37-39
    2.2.3 微切削  39-41
  2.3 分子动力学程序功能简介  41
  2.4 本章小结  41-42
第3章纳米压痕的分子动力学模拟及单晶Cu 的微观破坏机制  42-61
  3.1 纳米压痕测试方法简介  43-46
  3.2 模拟方法和模型  46-47
  3.3 纳米压痕的二维模拟结果分析  47-53
    3.3.1 原子尺度的滞弹性  47-50
    3.3.2 纳米压痕中位错的产生与扩展  50-53
  3.4 纳米压痕的三维模拟及结果分析  53-57
    3.4.1 三维模型  54
    3.4.2 三维模拟中特征信息的提取  54-55
    3.4.3 模拟结果与分析  55-57
  3.5 纳米压痕的影响因素  57-60
    3.5.1 压头尺寸对位错产生的影响  57-58
    3.5.2 加载速度的影响  58-59
    3.5.3 载荷的影响  59-60
  3.6 本章小结  60-61
第4章 Cu/Ni 多层膜的强化机理  61-94
  4.1 失配位错的影响  61-77
    4.1.1 失配位错的形成机理  61-64
    4.1.2 失配位错的二维模拟  64-70
    4.1.3 失配位错网的三维模拟  70-77
  4.2 镜像力的影响  77-82
    4.2.1 模拟的模型  77
    4.2.2 模拟的结果  77-78
    4.2.3 镜像力原理  78-81
    4.2.4 镜像力对Cu/Ni 多层膜力学性能的影响  81-82
  4.3 多层膜内的交变应力场  82-87
    4.3.1 多层膜内的交变应力场分布  82-86
    4.3.2 交变应力场随调制波长的变化规律  86-87
  4.4 膜层对位错的限制作用  87-90
    4.4.1 位错线移动所需要的临界应力值  88-89
    4.4.2 交变应力场  89-90
  4.5 多层膜内的界面结构  90-92
  4.6 本章小结  92-94
第5章 Cn/Ni多层膜的徵观磨擦磨损机理  94-110
  5.1 接触表面间的黏着及对摩擦力的影响  95-97
  5.2 微观粘滑效应  97-102
  5.3 Cu/Ni 多层膜的微摩擦磨损机理  102-109
    5.3.1 模拟的模型  102-103
    5.3.2 微摩擦过程中的能量耗散  103-104
    5.3.3 失配位错网对Cu-Ni 薄膜摩擦学特性的影响  104-106
    5.3.4 摩擦力与载荷的关系  106-107
    5.3.5 滑动速度的影响  107-109
  5.4 本章小结  109-110
第6章 Cu/Ni 多层膜的电化学制备与测试  110-124
  6.1 电化学沉积方法简介  110-115
    6.1.1 液流法、单槽法和双槽法  110-112
    6.1.2 恒电流法和恒电压法  112
    6.1.3 电化学沉积的影响因素  112-114
    6.1.4 沉积膜层厚度的计算  114-115
  6.2 单槽法制备Cu/Ni 多层膜  115-118
    6.2.1 工艺流程  115
    6.2.2 系统组成  115-116
    6.2.3 工艺参数  116-118
  6.3 Cu/Ni 多层膜组织与性能的测试  118-123
    6.3.1 Cu/Ni 多层膜的扫描电镜分析  118-119
    6.3.2 Cu/Ni 多层膜的纳米压痕测试  119-123
  6.4 本章小结  123-124
第7章结论与展望  124-127
  7.1 全文结论  124-126
  7.2 今后工作展望  126-127
攻读博士学位期间公开发表的论文  127-129
致谢  129-130
参考文献  130-143
附录  143-150
研究生履历  150

Cu/Ni纳米多层膜微观强化机理及微摩擦学特性的分子动力学模拟

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