【研究综述】西南交通大学冷永祥教授团队：无机薄膜组织结构及应力演化行为研究现状
科技
科学
2024-11-21 17:00
重庆
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物理气相沉积技术制备的无机薄膜，其组织结构及残余应力会在储存或服役环境中自发地产生演化，进而使薄膜性能发生变化，最终影响薄膜的长期服役稳定性。西南交通大学冷永祥教授团队从物理气相沉积技术制备薄膜的组织结构特征入手，介绍了无机薄膜应力的产生，发现薄膜的残余应力主要受薄膜非平衡生长后的亚稳态、薄膜与基体之间的晶格错配以及热膨胀系数差异的影响。之后论述了无机薄膜在生长过程中应力的演化规律，这个规律主要受薄膜的制备工艺影响，包括沉积速率、沉积气压、沉积温度以及基体偏压等。随后，重点综述了非平衡生长后的亚稳态金属薄膜、陶瓷薄膜及金属/陶瓷复合薄膜的组织结构、残余应力在储存或服役环境中的演化，以及薄膜性能变化行为的研究进展。针对无机薄膜在自然时效及人工时效过程中，其组织结构演变与应力释放的关系进行了总结和讨论，发现原子扩散是自然时效及人工时效过程中薄膜产生变化的主要途径。最后，对无机薄膜组织结构及应力演化行为的研究方法进行了展望。关键词：无机薄膜；物理气相沉积技术；时效；应力演化；稳定性
物理气相沉积所制备的薄膜会由于非平衡生长而处于亚稳态，其组织结构会在储存环境或服役环境中自发地产生变化，使薄膜性能发生变化，会对薄膜的服役产生影响，从而影响薄膜的长期服役稳定性。薄膜的亚稳态与薄膜的制备工艺（沉积速率、沉积气压、沉积温度以及基体偏压等）有很大关系，由于气相沉积的方法限制，对制备工艺进行优化只能改善薄膜的亚稳态，并不能完全消除。因此，在薄膜制备完成后，探究其组织结构在自然时效与人工时效下的变化规律以及对应的应力和性能演化行为，对薄膜的设计及相关产品的服役寿命预测具有很重要的意义。在薄膜自然时效过程中，薄膜的应力会通过塑性变形、原子扩散等方式进行释放，而在薄膜人工时效过程中，薄膜的应力状态主要会随原子扩散改变。要探究自然时效过程中薄膜组织结构及应力演化行为，需要漫长的试验周期。可以将人工时效与自然时效相结合，缩短试验周期。在自然时效与人工时效过程中，薄膜应力都能通过原子扩散进行释放，为了加速薄膜应力释放，可以进行适当的人为加速。在目前的研究结果中，退火是薄膜人工时效的主要方式之一，在薄膜的相变温度以下进行低温退火可以加速原子扩散却不使薄膜产生新相，从而达到加速薄膜组织结构改变及应力释放的效果，最终缩短时效过程对无机薄膜组织结构及应力演化行为研究的试验周期。该文章发表在《表面技术》第53卷第19期。
引文格式：刘怀远, 李佳临, 魏龙君, 等. 无机薄膜组织结构及应力演化行为研究现状[J]. 表面技术, 2024, 53(19): 1-13.
LIU
Huaiyuan, LI Jialin, WEI Longjun, et al. Research Progress on Microstructure and Stress Evolution
Behavior of Inorganic Films[J]. Surface Technology, 2024, 53(19): 1-13.
DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.19.001
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