纳米tawn复合薄膜室温蠕变性能研究(附件)【字数：10851】
摘 要 摘 要 本课题的研究对象是TaWN纳米复合薄膜，通过采用多靶磁控溅射法来制备不同W成分的薄膜。将不同W成分的薄膜材料进行性能分析，得出含W量为20.39%的TaWN纳米复合薄膜的综合性能好，并将此薄膜材料来进行室温蠕变性能的研究分析。材料的蠕变性能是衡量材料寿命的重要参数，而蠕变变形速率的影响因素包括温度、材料的性质、加载的时间、加载的结构应力等。结合纳米原位测试仪得出的数据和计算公式可以得到纳米薄膜的硬度值、弹性模量值、蠕变应变速率值和应变速率敏感性。纳米压痕实验设定饱载时间为40S，选取5个不同的加载载荷来获得与薄膜的室温蠕变性能相关的一些数据，并进行分析。根据数据分析可以得到TaWN纳米复合薄膜的某些力学性能特点和尺寸效应从硬度与弹性模量值可以看到，TaWN纳米复合薄膜材料既具有高强度、高韧度的特点；蠕变变形量随加载的载荷的增大而增大，并且前期的加载并没有使蠕变消除；加载载荷增大，蠕变深度呈现上升的趋势；随着加载载荷的不断增大，蠕变应变速率减小，这体现出了TaWN纳米复合薄膜的压痕尺度效应；应变速率敏感性随压入深度的增大而增大。关键词TaWN纳米复合薄膜；蠕变；应变速率
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题的背景 1
1.2 纳米材料的概述 1
1.2.1 纳米科学与技术的定义 2
1.3 薄膜的概述 3
1.3.1 薄膜材料的定义和分类 3
1.3.2 薄膜材料的性能 4
1.4 蠕变的概述 4
1.4.1 蠕变的定义和分类 5
1.4.2 蠕变性能研究方法 7
1.4.3 室温蠕变性能的影响因素 8
1.5 研究的意义 9
第二章 实验方法与手段 10
2.1 实验的准备 10
2.1.1 复合薄膜的制备 10
2.1.2 薄膜样品的成分和微观结构分析 11
2.1.3 性能分析技术 13
第三章 薄膜温室蠕变性能的研究 15
3.1 TaWN纳米复合薄膜的制备 15
3.2 TaWN纳米复合薄膜的性能表征 15
3. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
2.1 TaWN纳米复合薄膜成分分析 15
3.2.2 TaWN纳米复合薄膜结构分析 16
3.2.3 TaWN纳米复合薄膜力学性能分析 18
3.3 TaWN纳米复合薄膜的纳米压痕试验 19
第四章 实验结论 25
4.1 结论 25
致 谢 26
参 考 文 献 27
第一章 绪论
1.1 课题的背景
现代薄膜材料对当代高新技术起着重要的作用，薄膜材料是当代研究的热门对象，而由此衍生的材料科学是国际上科学技术研究的热门学科之一。纳米复合薄膜，其各组成成分具有协同作用，因此复合薄膜的综合性能远远高于单一材料的性能，例如：刚度大，强度高，质量轻等。从它的应用范围看，它的应用范围广，涉及到的领域有微电子产品，磁记录，光学等领域。随着工业的迅速发展，一些领域的设备需要在高温的条件下服役，学者们对蠕变的研究便占据了很重要的地位。通过研究纳米复合薄膜室温蠕变性能，可以通过优化热处理制度和改变重要元素的含量等方法来改变材料的蠕变性能，提高材料蠕变持久强度，从而使材料的综合性能达到更好的水平。再者，对室温蠕变性能的研究，可以判断出材料蠕变寿命的长短，从而可以判断构件的更换年限或判断构件的安全性[13]。
1.2 纳米材料的概述
纳米材料有着良好的性能，潜在着高应用价值，从而广受学者们的研究。材料的发展，经历了石器材料、金属材料、工程材料阶段，而纳米材料是工程材料里的前端发展材料，也就是新型材料。由于结构决定性能，纳米材料之所以具有良好的性能特点，是因为它具有特殊的结构特点。二十一世纪的新时代下，人们倡导全方位的创新化和智能化。因此材料的性能备受了更多的关注，特别是小尺寸下的材料，学者们希望从研究中得到新的发现。新型材料的研究和创新必然是当代学者们研究的重要课题。其中，由于纳米材料在新型材料中特殊的性能，以及由其特殊性能所产生的特殊应用价值，必将使纳米材料成为科学研究的热点[4]。
纳米材料是纳米结构材料的简称，纳米材料主要从纳米尺度上来对其进行定义。平时我们看到的宏观物体，它们有长、宽和高三个维度。同样地，纳米材料也有三个维度。纳米材料是指至少有一个维度处于纳米尺度范围内或者由纳米粒子作为基本单元构成的材料。按照维数来对纳米材料进行分类，可分为四类：零维纳米材料，如：纳米颗粒；一维纳米材料，如：纳米线、纳米管；二维纳米材料，如：纳米片、超晶格薄膜；三维纳米材料，如：以前面三种纳米材料作为结构单元的聚集材料和多孔材料。纳米材料应用范围及其广泛，它涉及到的应用范围有以下几个方面：天然纳米材料、纳米磁性材料、纳米陶瓷材料、纳米传感器、纳米倾斜功能材料、纳米计算机等等。纳米材料多种多样的组成形式和千变万化的结构特征,开拓了材料科学基础研究的新天地。同时，纳米材料的问世也使得材料的应用范围扩宽了。图11为三种不同尺度的纳米材料结构图。
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图11 纳米结构图
(a) 零维纳米结构图 (b) 一维纳米结构图 (c) 二维纳米结构图
1.2.1 纳米科学与技术的定义
纳米科学技术问题最早由物理学家Richard Feynman提出。1959年，他在《底层有更多的空位》的演讲中首次提出了纳米科学技术问题。他说道：“如果我们能够在分子、原子这种小尺寸粒子上对材料进行设计和加工，材料科学领域将有很多新的发现。”但是，因为当时的科学技术水平和人们观点的局限，Richard Feynman的演讲并不能引起整个科学界的重视。直到1980年后,随着科学水平的进步，一些新型仪器如扫描穿隧式显微镜(STM)、原子力显微镜（AFM）的发明及应用，使纳米科技发展得更迅速。
纳米科技研究的对象是纳米尺度材料，纳米尺度是指尺度1l00nm；研究的内容包括纳米材料的特性和交互作用,以及基于这些特性的多学科交叉技术。纳米科技主要包括下列的学科内容:材料学、加工学、力学、物理学、化学等。纳米材料作为新型材料，它与常规传统材料有着不一样的结构和性能特点。纳米材料的特性有表面效应、宏观量子隧道效应、量子尺寸效应、小尺寸效应等。由这些性质引起的技术性应用带动了许多高端领域的发展。而纳米科学技术的发展的首要技术是纳米材料的制备，材料制备技术是纳米科技发展的支柱[5]。
1.3 薄膜的概述
二维纳米材料最常见的就是薄膜材料。薄膜材料的研究涉及到许多领域的发展速度和深度。它不仅直接关系到信息技术、微电子技术、计算机科学等领域，而且还关系到由这些领域所涉及到的周边领域。薄膜与高新技术密切相关，薄膜领域的发展依赖于高新技术的发展。例如先进薄膜材料制备、薄膜结构的控制等，以及学者们对薄膜相关性能的深入研究。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题的背景 1
1.2 纳米材料的概述 1
1.2.1 纳米科学与技术的定义 2
1.3 薄膜的概述 3
1.3.1 薄膜材料的定义和分类 3
1.3.2 薄膜材料的性能 4
1.4 蠕变的概述 4
1.4.1 蠕变的定义和分类 5
1.4.2 蠕变性能研究方法 7
1.4.3 室温蠕变性能的影响因素 8
1.5 研究的意义 9
第二章 实验方法与手段 10
2.1 实验的准备 10
2.1.1 复合薄膜的制备 10
2.1.2 薄膜样品的成分和微观结构分析 11
2.1.3 性能分析技术 13
第三章 薄膜温室蠕变性能的研究 15
3.1 TaWN纳米复合薄膜的制备 15
3.2 TaWN纳米复合薄膜的性能表征 15
3. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
2.1 TaWN纳米复合薄膜成分分析 15
3.2.2 TaWN纳米复合薄膜结构分析 16
3.2.3 TaWN纳米复合薄膜力学性能分析 18
3.3 TaWN纳米复合薄膜的纳米压痕试验 19
第四章 实验结论 25
4.1 结论 25
致 谢 26
参 考 文 献 27
第一章 绪论
1.1 课题的背景
现代薄膜材料对当代高新技术起着重要的作用，薄膜材料是当代研究的热门对象，而由此衍生的材料科学是国际上科学技术研究的热门学科之一。纳米复合薄膜，其各组成成分具有协同作用，因此复合薄膜的综合性能远远高于单一材料的性能，例如：刚度大，强度高，质量轻等。从它的应用范围看，它的应用范围广，涉及到的领域有微电子产品，磁记录，光学等领域。随着工业的迅速发展，一些领域的设备需要在高温的条件下服役，学者们对蠕变的研究便占据了很重要的地位。通过研究纳米复合薄膜室温蠕变性能，可以通过优化热处理制度和改变重要元素的含量等方法来改变材料的蠕变性能，提高材料蠕变持久强度，从而使材料的综合性能达到更好的水平。再者，对室温蠕变性能的研究，可以判断出材料蠕变寿命的长短，从而可以判断构件的更换年限或判断构件的安全性[13]。
1.2 纳米材料的概述
纳米材料有着良好的性能，潜在着高应用价值，从而广受学者们的研究。材料的发展，经历了石器材料、金属材料、工程材料阶段，而纳米材料是工程材料里的前端发展材料，也就是新型材料。由于结构决定性能，纳米材料之所以具有良好的性能特点，是因为它具有特殊的结构特点。二十一世纪的新时代下，人们倡导全方位的创新化和智能化。因此材料的性能备受了更多的关注，特别是小尺寸下的材料，学者们希望从研究中得到新的发现。新型材料的研究和创新必然是当代学者们研究的重要课题。其中，由于纳米材料在新型材料中特殊的性能，以及由其特殊性能所产生的特殊应用价值，必将使纳米材料成为科学研究的热点[4]。
纳米材料是纳米结构材料的简称，纳米材料主要从纳米尺度上来对其进行定义。平时我们看到的宏观物体，它们有长、宽和高三个维度。同样地，纳米材料也有三个维度。纳米材料是指至少有一个维度处于纳米尺度范围内或者由纳米粒子作为基本单元构成的材料。按照维数来对纳米材料进行分类，可分为四类：零维纳米材料，如：纳米颗粒；一维纳米材料，如：纳米线、纳米管；二维纳米材料，如：纳米片、超晶格薄膜；三维纳米材料，如：以前面三种纳米材料作为结构单元的聚集材料和多孔材料。纳米材料应用范围及其广泛，它涉及到的应用范围有以下几个方面：天然纳米材料、纳米磁性材料、纳米陶瓷材料、纳米传感器、纳米倾斜功能材料、纳米计算机等等。纳米材料多种多样的组成形式和千变万化的结构特征,开拓了材料科学基础研究的新天地。同时，纳米材料的问世也使得材料的应用范围扩宽了。图11为三种不同尺度的纳米材料结构图。
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图11 纳米结构图
(a) 零维纳米结构图 (b) 一维纳米结构图 (c) 二维纳米结构图
1.2.1 纳米科学与技术的定义
纳米科学技术问题最早由物理学家Richard Feynman提出。1959年，他在《底层有更多的空位》的演讲中首次提出了纳米科学技术问题。他说道：“如果我们能够在分子、原子这种小尺寸粒子上对材料进行设计和加工，材料科学领域将有很多新的发现。”但是，因为当时的科学技术水平和人们观点的局限，Richard Feynman的演讲并不能引起整个科学界的重视。直到1980年后,随着科学水平的进步，一些新型仪器如扫描穿隧式显微镜(STM)、原子力显微镜（AFM）的发明及应用，使纳米科技发展得更迅速。
纳米科技研究的对象是纳米尺度材料，纳米尺度是指尺度1l00nm；研究的内容包括纳米材料的特性和交互作用,以及基于这些特性的多学科交叉技术。纳米科技主要包括下列的学科内容:材料学、加工学、力学、物理学、化学等。纳米材料作为新型材料，它与常规传统材料有着不一样的结构和性能特点。纳米材料的特性有表面效应、宏观量子隧道效应、量子尺寸效应、小尺寸效应等。由这些性质引起的技术性应用带动了许多高端领域的发展。而纳米科学技术的发展的首要技术是纳米材料的制备，材料制备技术是纳米科技发展的支柱[5]。
1.3 薄膜的概述
二维纳米材料最常见的就是薄膜材料。薄膜材料的研究涉及到许多领域的发展速度和深度。它不仅直接关系到信息技术、微电子技术、计算机科学等领域，而且还关系到由这些领域所涉及到的周边领域。薄膜与高新技术密切相关，薄膜领域的发展依赖于高新技术的发展。例如先进薄膜材料制备、薄膜结构的控制等，以及学者们对薄膜相关性能的深入研究。
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