纳米金属多层膜的微结构热稳定性的模拟

论文摘要

本文首先对不互溶纳米金属多层膜中由扩散引起的微结构演化进行了模拟,建立了较高温度下各向异性多层膜的微结构演化模型。在该模型中,我们首先提出了多层膜阶梯堆垛构型,并提出了不同于传统模型(如Anderson PM等人提出的模型, Suo Z等人提出的模型)中对多层膜界面、三叉点运动的处理方法。在我们的处理中,三叉点的运动由作用在其上的界面张力及扭转力的合力所驱动。在该模型的数值模拟中,我们提出了一种新的数值方法(五点四次多项式法)模拟了微结构的演化。利用该模型,研究了不同纵横比、不同晶界相界能比的多层膜的热稳定结构和层内脱离现象,同时我们还研究了不同堆垛构型对多层膜热稳定性的影响。最后我们还对比了Anderson PM模型和我们的模型,对比结果表明:我们的模型简单、计算速度较快、灵活、适用面更宽,且具有更强的预测功能。本文还研究了互溶多层膜的微结构热稳定性的模拟,重点讨论了共格应力对多层膜中的扩散的影响,提出了多层膜中共格应力下的扩散控制方法的求解算法,并对下一步的研究工作提出了具体设想,提出此项研究对实现纳米多层膜的稳定结构的设计和制备这一目标的途径。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 纳米多层膜的基础概念
• 1.2.1 纳米多层膜的定义
• 1.2.2 纳米多层膜的特征参数
• 1.2.3 纳米多层膜的特点
• 1.3 纳米金属多层膜的微结构热稳定性实验及模拟的进展
• 1.3.1 纳米金属多层膜的微结构热稳定性实验及一些经验规律
• 1.3.1.1 微结构热稳定性实验
• 1.3.1.2 纳米金属多层膜稳定性的影响因素
• 1.4 纳米金属多层膜微结构热稳定性的模拟进展
• 1.4.1 界面运动的理论及热沟槽理论
• 1.4.2 三叉点运动的理论
• 1.4.3 不互溶多层膜结构演化的模拟
• 1.4.3.1 层内脱离（pinch-off）的模拟
• 1.4.3.2 Suo Z 等人关于界面迁移的有限元模拟
• 1.4.3.3 Bower AF 等人关于超塑性变形的有限元模拟
• 1.4.3.4 Ford 等人关于晶粒长大的模拟
• 1.4.4 Misra A 等人关于纳米结构稳定化的机制推测
• 1.4.5 互溶多层膜中由扩散引发的微结构演化
• 1.5 本课题研究的目的意义和主要内容
• 1.5.1 目的及意义
• 1.5.2 主要内容
• 第二章 不互溶多层膜的微结构热稳定性的理论基础及模拟
• 2.1 导言
• 2.2 微结构演化理论
• 2.2.1 相界运动理论
• 2.2.2 晶界控制方程
• 2.2.3 晶界和相界运动的区别
• 2.2.4 三叉点控制方程
• 2.3 周期的选取
• 2.4 初值及边界条件
• 2.4.1 初值
• 2.4.2 边界条件
• 2.5 微结构演化的稳定判据
• 2.5.1 力平衡条件
• 2.5.2 三叉点处通量关系
• 2.6 控制方程的数值求解
• 2.6.1 样条插值
• 2.6.1.1 样条函数
• 2.6.1.2 三次样条函数
• 2.6.2 样条插值在模型中的应用
• 2.6.3 五点四次多项式法
• 2.6.4 五点四次多项式法在模型中的的应用
• 2.7 数值方法的编程实现
• 2.7.1 对界面运动的处理
• 2.7.1.1 对晶界运动的处理
• 2.7.1.2 对相界运动的处理
• 2.7.2 三叉点处受力及运动的处理
• 2.8 基于Misra A 的多层膜结构热稳定性猜想的机理推测
• 2.9 本章小结
• 第三章 不互溶纳米多层膜的模拟结果及讨论
• 3.1 参数的选择
• 3.1.1 界面能的选择
• 3.1.1.1 晶界能的选择
• 3.1.1.2 相界能的选择
• 3.1.1.3 本工作选用的几组界面能
• 3.1.2 其他参数的选择
• 3.2 热条件下多层膜的界面能各向同性的稳定微结构
• 3.2.1 界面能各向同性下多层膜的微结构
• 3.2.1.1 未发生层内脱离的稳定结构
• 3.2.1.2 发生层内脱离的结构演化
• 3.3 结构因素对多层膜的微结构演化的影响
• 3.3.1 不同纵横比对多层膜微结构演化的影响
• 1O₂的长度对多层膜微结构演化的影响'>3.3.2 不同O₁O₂的长度对多层膜微结构演化的影响
• 3.4 能量因素对多层膜的微结构热稳定性影响
• 3.5 与Anderson PM 模型的对比
• 3.5.1 构型上的不同
• 3.5.2 处理方法的不同
• 3.5.3 结论
• 3.6 模拟结果与实验的对比
• 3.7 本章小结
• 第四章 互溶纳米多层膜的微结构热稳定性
• 4.1 共格应力对扩散的影响
• 4.1.1 共格应力
• 4.1.2 扩散的基础知识及微观机理
• 4.1.3 空位浓度与应力的关系
• 4.1.4 多层膜中的互扩散系数
• 4.2 互溶多层膜中的扩散行为
• 4.2.1 周期选择
• 4.2.2 初值及边界条件
• 4.2.3 共格应力下的扩散的控制方程
• 4.3 成分梯度对应力场的影响
• 4.3.1 相场微弹性理论（phase field microelasticity theory）计算应力场分布
• 4.4 互溶多层膜中的扩散的数值模拟方案
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论
• 5.1 不互溶多层膜的微结构热稳定性的模拟
• 5.2 互溶多层膜的微结构热稳定性的模拟
• 第六章 前景与展望
• 6.1 后续工作
• 6.1.1 参数的获取
• 6.1.2 动力学研究
• 6.1.3 界面能的各向异性分布
• 6.1.4 多层膜共格应力作用下的扩散的数值模拟
• 6.1.5 由浓度分布的演化反算共格应力场下的互扩散系数
• 6.1.6 实验验证
• 6.2 本研究的远景展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论文目录
• 上海交通大学学位论文答辩决议书