La基和Zr基金属玻璃薄膜的制备与性能研究

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材料的原生成分和结构以及测试参数都会影响综合性能。本论文以La-Co-Al、Zr-Cu-Ni-Al金属玻璃薄膜为研究模型对纳米压痕实验中加载速率对力学性能的影响进行了详细分析,并对这两种成分的薄膜进行了比较研究。另外以Zr-Cu-Al-Ti金属玻璃薄膜为研究模型探索磁控溅射过程中基底温度对结构和性能的影响。本论文进一步揭示了加载速率、成分和基底温度对金属玻璃薄膜综合性能的影响,有助于未来再深入研究、应用磁控溅射法制备的金属玻璃薄膜。纳米压痕实验中,加载速率的增加即加载时间减少,可能导致加载过程中内部结构弛豫不充分而落后于外部加载导致的变形,进而塑性变形不充足。这使得很多力学性能发生变化,P-h曲线变得陡峭且分布范围收缩,蠕变位移、蠕变速率、硬度和杨氏模量都有所增加,而应变速率敏感系数降低。采用协同剪切模型理论计算得到剪切转变区(STZ)的体积和激活能,大的加载速率使得STZ的体积和激活能增加,这与硬度和杨氏模量的变化趋势一致。随着加载速率的增加,结构异质性点位密度降低进而使得STZ形核机会减少且变形模式转变更加困难。较大加载速率下,不仅增加的STZ体积和激活能,而且降低的结构异质性点位密度导致硬度和杨氏模量增加,变形模式更趋向不均匀。在本实验研究的加载速率范围内,较大的结构异质性点位密度使得相同加载速率下更软的La-Co-Al金属玻璃薄膜的P-h曲线分布更广。并且,La-Co-Al金属玻璃薄膜展示出更大的蠕变位移、蠕变速率、应变速率敏感系数、STZ体积和结构异质性点位密度,但是其硬度、杨氏模量和STZ激活能较低。加载速率对于力学性能的影响力远低于材料成分所产生的影响。基底温度由293 K升至673 K,所有的Zr-Cu-Al-Ti薄膜都保持非晶结构,且抗氧化性、硬度、模量和光学反射率都有所提升。基底温度由293 K升至573 K,内部结构有序化且致密化,进一步升高至673 K则未发生明显变化。对于基底温度为573 K和673 K的薄膜,表面柱状结构更均匀细小且氧含量显著降低。表面粗糙度随着基底温度的升高呈现出增加而后降低再略有增加的趋势,573 K基底温度下制备的薄膜表面粗糙度最低。总体而言,573 K是最特别的基底温度,该基底温度下制备的薄膜具有致密度高、表面平整、结构均匀、抗氧化性强、力学性能优异和光反射率高的特点,并且表面形貌演化模式转变也在此温度发生。这可能是因为573 K在0.7~0.8基底温度的范围内,该范围内的基底温度可使得表面原子活性提升,甚至可以制备超稳玻璃。过高的基底温度则会使得活性过大、综合性能略有降低。
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