NiTi/ZnO复合智能薄膜的制备及性能研究

论文摘要

本文在全面总结智能材料的研究现状和未来发展趋势的基础上,利用射频磁控溅射法制备NiTi/ZnO复合薄膜,并利用XRD、SEM、EDS、DMA、台阶仪、纳米压痕仪、划痕仪等测试方法研究了复合薄膜的微观组织、相结构、化学成分、力学与阻尼性能。首先探讨了衬底温度、溅射功率、溅射气压等主要工艺参数对NiTi薄膜的微观组织、相结构、化学成分及力学性能的影响规律,确定出制备薄膜相对优化的工艺参数。在试验所研究的范围内,沉积NiTi薄膜的优化工艺参数为:衬底温度为500℃,溅射功率为250W,溅射气压为0.19Pa,Ar气流量为10sccm,靶基距为50cm,沉积时间为1h;在溅射态,NiTi薄膜主要呈非晶态,经由衬底高温加热可直接得到晶化薄膜。在此优化工艺参数下制备的NiTi薄膜弹性模量E为69.7GPa,变形能效率η为38.2%,薄膜与基体的临界结合力为35.26N。根据功能材料复合相乘理论,结合NiTi薄膜的优化工艺参数制备出晶化且结构为Quartz/ZnO/NiTi及Quartz/NiTi/ZnO的复合薄膜,对其表/界面、微观组织结构、结晶特性进行了研究。结果表明,Quartz/ZnO/NiTi结构的复合薄膜表面非常平整致密,层与层之间结合紧密。由划痕仪测得两种结构下复合薄膜与基体的临界结合力分别为45.75N和40.15N。最后,使用悬挂共振法分别研究了Quartz/NiTi与Quartz/ZnO/NiTi复合结构的阻尼性能随振动频率及振幅的变化规律,比较了两者阻尼性能的差异。结果表明,Quartz/NiTi复合结构的频率响应范围在7Hz以内;而Quartz/ZnO/NiTi复合结构的频率响应范围达到20Hz。前者的临界外加激振力仅为0.6V,后者的临界外加激振力达到1.0V。阻尼性能测试表明,Quartz/ZnO/NiTi复合结构的阻尼性能优于Quartz/NiTi复合结构,且该复合薄膜较单层NiTi薄膜与基体具有更大的结合力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 智能材料
• 1.2 薄膜的制备方法
• 1.2.1 化学气相沉积方法
• 1.2.1.1 常压化学气相沉积法（APCVD）
• 1.2.1.2 低压化学气相沉积法（LPCVD）
• 1.2.1.3 等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）
• 1.2.2 物理气相沉积方法
• 1.2.2.1 真空蒸发镀膜
• 1.2.2.2 分子束外延
• 1.2.2.3 溅射法
• 1.3 NiTi 薄膜与 ZnO 薄膜的性质及研究进展
• 1.3.1 NiTi 薄膜的性质及研究进展
• 1.3.2 ZnO 薄膜的性质及研究进展
• 1.4 本研究的目的与意义
• 1.5 本研究的主要内容与技术路线
• 1.5.1 本研究的主要内容
• 1.5.2 本试验的技术路线
• 第二章 试验原理与方法
• 2.1 试验原理与设备
• 2.1.1 磁控溅射原理
• 2.1.2 纳米压痕原理
• 2.1.3 试验设备
• 2.2 试验原料
• 2.2.1 溅射靶材
• 2.2.2 沉积基片
• 2.3 溅射镀膜流程
• 2.4 薄膜的退火热处理
• 2.5 薄膜组织及相结构分析
• 2.5.1 X 射线衍射分析
• 2.5.2 扫描电镜分析
• 2.5.3 电子能谱分析
• 2.5.4 薄膜厚度的测量
• 2.6 薄膜力学性能分析
• 2.6.1 纳米压痕试验
• 2.6.2 划痕试验
• 2.7 薄膜阻尼性能分析
• 第三章 射频磁控溅射制备 NiTi 薄膜的工艺与力学性能研究
• 3.1 靶材的原始结构及成分分析
• 3.2 衬底温度对 NiTi 薄膜组织结构及力学性能的影响
• 3.2.1 衬底温度对NiTi 薄膜晶化行为的影响
• 3.2.2 衬底温度对NiTi 薄膜表面形貌的影响
• 3.2.3 衬底温度对NiTi 薄膜力学性能的影响
• 3.3 溅射功率对 NiTi 薄膜组织结构及力学性能的影响
• 3.3.1 溅射功率对NiTi 薄膜晶化行为的影响
• 3.3.2 溅射功率对NiTi 薄膜表面形貌的影响
• 3.3.3 溅射功率对NiTi 薄膜力学性能的影响
• 3.4 溅射气压对 NiTi 薄膜组织结构及力学性能的影响
• 3.4.1 溅射气压对NiTi 薄膜晶化行为的影响
• 3.4.2 溅射气压对NiTi 薄膜表面形貌的影响
• 3.4.3 溅射气压对NiTi 薄膜力学性能的影响
• 3.5 NiTi 薄膜沉积工艺的确定
• 3.6 气氛退火对 NiTi 薄膜结晶行为与纳米硬度的影响
• 3.7 本章小结
• 第四章 NiTi/ZnO 复合智能薄膜的制备及阻尼性能研究
• 4.1 NiTi/ZnO 复合薄膜的设计与制备
• 4.1.1 NiTi/ZnO 复合薄膜的设计
• 4.1.2 NiTi/ZnO 复合薄膜的制备
• 4.2 NiTi/ZnO 复合薄膜的微观组织结构
• 4.3 Quartz/ZnO/NiTi 复合结构的阻尼性能研究
• 4.3.1 不同频率下Quartz/NiTi 复合结构的阻尼性能
• 4.3.2 不同频率下Quartz/ZnO/NiTi 复合结构的阻尼性能
• 4.3.3 不同振幅下Quartz/NiTi 复合结构的阻尼性能
• 4.3.4 不同振幅下Quartz/ ZnO/NiTi 复合结构的阻尼性能
• 4.3.5 Quartz/ZnO/NiTi 复合结构的阻尼特性机理分析
• 4.3.6 Quartz/ZnO/NiTi 复合结构的结合力研究
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 学习期间发表的学术论文