銅-鎢酸鋯功能梯度薄膜有限元法優(yōu)化及制備.pdf

1、鎢酸鋯是各向同性的負(fù)熱膨脹材料，對(duì)其負(fù)熱膨脹性能及其復(fù)合材料的研究是當(dāng)今材料科學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。本課題組用固相法、共沉淀法、溶膠凝膠法等制備方法得到了高純度的鎢酸鋯粉體，用磁控濺射和脈沖激光濺射法制備了鎢酸鋯薄膜，并得到了銅/鎢酸鋯功能梯度薄膜。銅/鎢酸鋯功能梯度薄膜可用于電子器件熱應(yīng)力緩沖層，提高電子器件熱穩(wěn)定性，延長(zhǎng)電子器件壽命。
　　 用有限元方法模擬不同技術(shù)參數(shù)制備的銅/鎢酸鋯功能梯度薄膜的熱-應(yīng)力場(chǎng)，可以提高研發(fā)效率，

2、在重復(fù)實(shí)驗(yàn)次數(shù)的很少情況下，得到從基底層到表層熱應(yīng)力平緩變化的梯度薄膜。具體優(yōu)化設(shè)計(jì)流程為總結(jié)以往的材料性能參數(shù)，建立數(shù)學(xué)模型模擬實(shí)際工況，得到各類(lèi)銅/鎢酸鋯功能梯度薄膜的熱-應(yīng)力場(chǎng)特征；以數(shù)值模擬得到的技術(shù)參數(shù)制備功能梯度薄膜；表征薄膜性能，以優(yōu)化后的參數(shù)帶入數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算，在實(shí)驗(yàn)3-4組后即可得到優(yōu)化的薄膜技術(shù)參數(shù)。
　　 數(shù)值模擬分析過(guò)程中，用有限元軟件ANSYS11.0建立了銅/鎢酸鋯緩沖熱應(yīng)力功能梯度薄膜的數(shù)學(xué)模

3、型，討論了梯度薄膜的層數(shù)N，成分分布指數(shù)P，梯度層厚度Hf，基片厚度Hm與純銅層厚度Hc以及不同工作環(huán)境溫度T對(duì)薄膜熱應(yīng)力場(chǎng)分布的影響。由熱力學(xué)計(jì)算可知：梯度層數(shù)越多，緩和熱應(yīng)力效果越好。考慮到制備工藝復(fù)雜程度，參考數(shù)值模擬結(jié)果可知：當(dāng)P=1 N≥5時(shí)，可以達(dá)到減小熱應(yīng)力最大值的效果，熱應(yīng)力最大值出現(xiàn)在基體與梯度層的界面處；當(dāng)N=5，P值介于2和3之間時(shí)，熱應(yīng)力最大值位于梯度薄膜中間層；適量增加梯度層厚度Hf和基片厚度Hm有利于減小熱應(yīng)

4、力最大值，此梯度緩沖層在室溫到α相鎢酸鋯陶瓷的相變溫度(120℃)區(qū)間內(nèi)，對(duì)于各厚度的純銅層都能有良好的保護(hù)作用。
　　 依據(jù)優(yōu)化結(jié)果，用磁控濺射法制備了銅/鎢酸鋯功能梯度薄膜。用X射線衍射法(XRD)分析薄膜的物相組成；掃描電鏡(SEM)分析薄膜的表面形貌；X射線應(yīng)力測(cè)試儀對(duì)薄膜殘余熱應(yīng)力狀況進(jìn)行了表征。結(jié)果表明：薄膜殘余熱應(yīng)力分布狀況和數(shù)值模擬結(jié)果相吻合。以數(shù)值模擬優(yōu)化結(jié)果為依據(jù)而制備的功能梯度薄膜可以使熱應(yīng)力值降低到原來(lái)的