中科院力学所纳米结构陶瓷涂层界面粘结性能研究取得进展-论文.pdf

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1、表面～工一I中科院力学所I纳米结构陶瓷涂层界面粘结性能研究取得进展程一目近日，中科学院力学研究所在纳而且对发展微兰内尺度力学都具有重要意义。成米结构陶瓷涂层与合金基底的界面粘结界面粘聚模型(Interfacecohesivemode1)通常用于描述界面断裂果性能、纳米结构涂层的导热性能和弹性过程中裂纹尖端的力学行为，反映了界面粘聚区原子所受应力及分离简性能等研究上取得了新进展，揭示了界位移的关系：界面分离应力随位移增加首先增加，当达到最大应力即报面川粘结性能及相关力学性能的微结构尺界面强度后，应力则随位移增加而减小

2、直至消失。该模型是一个宏观度效应及其物理机制。唯象模型，有两个关键参数：界面断裂强度及界面断裂韧度，界面韧责0陶瓷涂层由于具有良好的热绝缘、度(即界面粘聚能)反映了界面断裂所需的功。对实际材料宏观体系的编抗氧化及耐腐蚀等优异性能，在机械工界面结构，界面强度往往是MPa(10帕斯卡)量级，而界面开裂位移是程、化工、生物医疗、电子、航天航海微米(10米)量级；但对双材料界面分离的原子尺度模拟显示，界等众多领域都有广泛应用。如航空发动面强度是GPa(109帕斯卡)量级斌，而界面分离位移则是A(10米)的机的叶片由于工作温

3、度高达一千度以量级。这种从微观到宏观的量级差异表明了界面性能的跨尺度现象，上，金属基底上往往要沉积或涂覆上一如何将界面的微观物理机制及宏观力学性能有机地结合起来一直是界层几百微米厚的耐高温的陶瓷涂层以保面科学研究的一项挑战。护内部部件，而涂层与基底之间的界面研究人员根据界面粘聚能的热力学定义(断裂后形成两个新表面的粘结性能则关系到相关结构和部件的可表面自由能之和减去断裂前两者间的界面自由能之差)、界面断裂前后靠性与服役寿命。一旦涂层与基底之间表面、界面自由能及其尺度效应的介观热力学表征，结合实际陶瓷涂层界面开裂，涂

4、层剥落，暴露在高温下的／合金基底体系界面拉伸断裂的实验测量，给出了界面粘结性能尺度效金属基底将很快失效。因此，研究涂层应的力学模型，预测并证实了纳米结构涂层与基底之间提高近两倍的界与基底之间的界面粘结性能、提高二者面强度(比传统的微米结构涂层与同样基底问界面强度而言)，指出微之间的界面结合强度一直是工业应用的结构变化引起的涂层表面能及涂层基底间界面开裂位移的尺度效应，是迫切需求。而纳米结构涂层作为一种新导致涂层体系宏观界面强度改善的、JJ．^，，一、，‘r—r／J、／‘，L】L．EuJ山，X^￡U微l#～观，yL物

5、l，J理，工机J，制ll_O进J‘L一步=，给—u出Lu界l。面LⅡJ粘Ju聚，r型的结构材料，由于微结构(晶粒)从模型中临界位移的物理意义对应着界面材料的基本微结构尺度。传统的微米尺度减小到百纳米甚至几十上述研究获得了科技部重大科学研究计划纳米“973，项目和国纳米，比界面积急剧增大，展现出很多家自然基金委以及非线性力学国家重点实验室开放课题等的支持，由不同于传统涂层及块体材料的力学性中科院力学所梁立红副研究员、魏悦广研究员以及中科院金属研究所能，如模量增加、导热性降低等，那么韦华研究员等合作完成。系列相关成果发

6、表于国际期刊(LiangetaI．它与基底间的界面结合强度怎样呢?对Surf．Coat．Tech．2013，IntJ．HeatMassTran．2013，J．AppI．Phvs这一问题的理解不仅对指导实际应用，2010，Philos．Maq。2013，J．Nanomater．2011)。日本一公司开始提供无电解置换型金电镀液田中控股株式会社发布，田中贵金属可以从10～3O分钟缩短为5～10分钟，控制析出的偏差等。在金电镀集团从事电镀业务的日本电镀工程株式会的膜厚方面，与以往的无氰置换型金电镀液相比，由于速度快、可析

7、社(EEJA)开始提供不含氰化物的无电解出O．03～0．1LJm的金属，所以可达到能应对半导体封装基板等相关产置换型金电镀液“LECTROLESSIGS202(：／‘。品的生产l生。另外，客户不需投资新的设备，采用以往的生产工序即“LECTR0LESSIGS2020”是一种用可进行电镀)roT。无氰电金镀液达到与氰系金电镀液同等的性能。于对镍、钯等部件进行金电镀9am的完代表性的无电解置换型金电镀加工，是在含有金离子的电镀液中全无氰化的无电解置换型金电镀液。加入被覆处理的被电镀工件，当镍溶出时，金离子移动到被电镀工

8、件EEJA通过重新评估电镀液的成分，成表面残留的电子中，并与电子相结合从而金属化(镍中的电子与电镀液功开发出一种与采用了氰化金钾(以下的金进行“置换”)，形成一层金膜(析出)的过程。此次EEJA开始提供简称PGC)的氰系置换型金电镀液特性的“LECTR0LESSlGS2020“通过抑制覆盖被电镀工件的镍的过度腐蚀相同的电镀液，这种电镀液与以往的无(氧化)而实