晶体取向对铜磨损及腐蚀性能的影响机理

来源 :辽宁工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:whansiyu
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单晶铜具有良好的塑性及导电性,应用于集成电路及微纳制造领域。为此,本论文以不同取向单晶铜为研究对象,采用球盘往复接触形式,研究有、无腐蚀介质条件下,不同晶体取向铜的微动磨损、微动腐蚀磨损行为;采用电化学腐蚀、浸泡腐蚀的方法,研究了不同晶体取向铜的电化学及浸泡腐蚀性能。通过显微镜、扫描电镜及能谱分析表征,探讨了不同晶体取向铜的磨损和腐蚀机理。研究表明:(1)无腐蚀介质条件下磨损时,平均摩擦系数随载荷增加而增加,随速度的增加而减小。在不同载荷及速度下,Cu(111)的平均摩擦系数低。磨损体积(110)>(100)>(111),且截面破坏程度(110)>(100)>(111)。Cu(110)耐磨性差,Cu(111)的磨损情况相对较轻,其耐磨性好。在干摩擦时,在载荷速度低时磨损机理主要是氧化磨损和磨粒磨损;随载荷速度的增大,磨损由氧化磨损转向粘着磨损;在载荷速度高时主要是轻微的磨粒磨损和粘着磨损;磨损时产生加工硬化及晶粒细化,滑动摩擦产生摩擦热有助于形成氧化膜,起到减摩作用。Cu(111)面原子密排,弹性模量高,其滑移面临界剪切应力小易于滑移。(2)浸泡及电化学腐蚀实验表明,Cu(110)表面平滑腐蚀面积小,Cu(100)生成的钝化膜易脱落,Cu(111)腐蚀情况严重。遵循(110)、(100)、(111)的顺序,容抗弧直径减小,电荷转移电阻下降,低频区阻抗模量|Z|值减小,腐蚀电流密度约增加0.93倍,腐蚀电位负移,阳极曲线及阴极曲线的Tafel斜率绝对值下降。Cu(110)表面活性高,为密排方向。根据原子电子态密度及成键的量子力学观点,不同取向铜表面能及氧化时易活化顺序为(110)>(100)>(111),晶向原子排布及密度决定其相应晶面原子结构的腐蚀,因此单晶铜耐蚀性依次为(110)>(100)>(111)。(3)NaCl溶液腐蚀介质下磨损时,不同取向铜摩擦系数小,磨损体积及形貌轻微,表面粗糙。随着载荷及速度的增加,腐蚀磨损情况严重,当增加到一定值后情况反而减轻。平均摩擦系数(100)>(111)>(110),腐蚀磨损(110)>(111)>(100)。不同载荷及速度下,Cu(100)的磨损体积小,Cu(100)的表面活性相对较弱,不易发生反应。腐蚀磨损时,铜表面进行腐蚀与氧化、粘着和磨粒磨损。在腐蚀的同时,腐蚀介质起到冷却散热作用,形成氧化膜,减轻粘着及磨粒磨损,达到降磨减摩作用。
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