Влияние циклической нагрузки на физико-механические свойства тонкопленочных мембранных структур

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Впервые предложен, реализован и объяснен принцип модификации механических свойств тонкопленочных мембранных структур произвольной формы бесконтактным способом. Апробация идеи проведена на тонкопленочной мембране алюминия, сформированной магнетронным способом на кремниевой подложке. Внешнее воздействие осуществлялось посредством циклической нагрузки в виде сброса и подачи избыточного давления воздуха на мембрану. В результате многократных воздействий изменяются физические (размер зерен и шероховатость) и механические (внутренние механические напряжения и критическое избыточное давление) свойства материалов. Изменение величины остаточных механических напряжений в материале мембраны позволяет формировать поверхность с требуемым значением кривизны. В данной работе после циклической нагрузки давлением, равным половине от критического давления, выявлены следующие эффекты: прогиб мембраны в отсутствие внешнего воздействия увеличился более чем на порядок, структура перешла в пластический тип деформации, критическое давление разрыва уменьшилось на несколько десятков процентов. Применение данной методологии позволяет создавать новые материалы с уникальными механическими свойствами.

Об авторах

Н. А. Дюжев

Национальный исследовательский университет “МИЭТ”

Автор, ответственный за переписку.
Email: bubbledouble@mail.ru
Россия, Зеленоград, Москва

Е. Э. Гусев

Национальный исследовательский университет “МИЭТ”

Email: bubbledouble@mail.ru
Россия, Зеленоград, Москва

Е. О. Портнова

Национальный исследовательский университет “МИЭТ”

Email: bubbledouble@mail.ru
Россия, Зеленоград, Москва

О. В. Новикова

Национальный исследовательский университет “МИЭТ”

Email: bubbledouble@mail.ru
Россия, Зеленоград, Москва

Список литературы

  1. Zhang G.P, Schwaiger R., Volkert C.A., Kraft O. Effect of film thickness and grain size on fatigue-induced dislocation structures in Cu thin films // Philos. Mag. Lett. 2003. V. 83. № 8. P. 477–483. https://doi.org/10.1080/0950083031000151383
  2. Сalister W.D. Materials science and engineering: an introduction. 7th Edition. NY, 2007.
  3. Wang G., Liaw P. Fatigue and fracture behavior // Bulk metallic glasses. Boston: Springer, 2008. P. 169–203. https://doi.org/10.1007/978-0-387-48921-6_7
  4. Pan Q., et. al. History-independent cyclic response of nanotwinned metals // Nature. 2017. № 551. P. 214–217. https://doi.org/10.1038/nature24266
  5. Barr C.M., Duong T., Bufford D.C. et al. Autonomous healing of fatigue cracks via cold welding // Nature. 2023. № 620. P. 552–556. https://doi.org/10.1038/s41586-023-06223-0
  6. Заславский Б.В. Краткий курс сопротивления материалов. Учебник для авиационных специальностей вузов. М.: Машиностроение, 1986. 328 с.
  7. Dyuzhev N.A., Gusev E.E., Makhiboroda M.A. Study of the mechanical properties of thin-film membranes made of oxide and silicon nitride. // Mechanics of Solids. 2022. V. 57. № 5. P. 1044–1053.
  8. Перельмутер М.Н. Анализ трещиностойкости соединений материалов // Изв. РАН. МТТ. 2020. № 4. С. 96–114. https://doi.org/10.31857/S0572329922050063
  9. Бабешко В.А., Бабешко О.М., Евдокимова О.В. Трещины нового типа и модели некоторых наноматериалов // Изв. РАН. МТТ. 2020. № 5. С. 13–20. https://doi.org/10.31857/S0572329920050025
  10. Novak A.V., Novak V.R., Dedkova A.A., Gusev E.E. Dependence of mechanical stresses in silicon nitride films on the mode of plasma-enhanced chemical vapor deposition // Semiconductors. 2018. V. 52. P. 1953–1957. https://doi.org/10.1134/S1063782618150095
  11. Shikunov S.L., Kurlov V.N. SiC-based composite mterials obtained by siliconizing carbon matrices // Technical Physics. 2017. V. 62. P. 1869–1876. https://doi.org/10.1134/S1063784217120222
  12. Беспалов В.А. и др. Обзор методов исследования механических свойств тонких пленок // Моделирование систем и процессов. 2022. Т. 15. № 3. C. 110–128. https://doi.org/10.12737/2219-0767-2022-15-3-110-128
  13. Колобов Ю.Р. и др. Исследование влияния обработки лазерными импульсами наносекундной длительности на микроструктуру и сопротивление усталости технически чистого титана // Письма в ЖТФ. 2022. Т. 48 (2). С. 15–19. https://doi.org/10.21883/PJTF.2022.02.51913.19025
  14. Марков В.Ф. Технология тонкопленочных твердотельных сенсоров. Учеб. пособие. Екатеринбург: Изд-во Уральского ун-та, 2019. 152 c.
  15. Дюжев Н.А., Гусев Е.Э., Портнова Е.О., Махиборода М.А. Исследование влияния радиационного облучения на размер зерен и механические свойства тонкопленочного алюминия // Изв. РАН. МТТ. 2024. № 1.
  16. Nabbi R., Wolters J. Investigation of radiation damage in the aluminum structures of the German FRJ-2 research reactor // International Atomic Energy Agency (IAEA). 1998.
  17. Khan M. et al. A Study of the structural and surface morphology and photoluminescence of Ni-doped ALN thin films grown by co-sputtering // Nanomaterials. 2022. V. 12. № 21. P. 3919. https://doi.org/10.3390/nano12213919
  18. Lim Y.Y., Chaudhri M., Enomoto Y. Accurate determination of the mechanical properties of thin aluminum films deposited on sapphire flats using nanoindentations // J. Mater. Research. 1999. V. 14. P. 2314–2327. https://doi.org/10.1557/JMR.1999.0308
  19. Quek S.S., et. al. The inverse Hall–Petch relation in nanocrystalline metals: A discrete dislocation dynamics analysis // J. Mech. Phys. Solids. 2016. V. 88. P. 252–266. https://doi.org/10.1016/j.jmps.2015.12.012
  20. Akiniwa Y., Suzuki Т., Tanaka K. Evaluation of deformation behavior in Cu thin film under tensile and fatigue loading by X-ray method // Materials Science Forum. 2006. V. 524–525. P. 807–812. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.524-525.807
  21. Read D.T., Volinsky A.A. Measurements for mechanical reliability of thin films // NATO Science for Peace and Security Series C: Environmental Security. 2009. P. 337–358. https://doi.org/10.1007/978-90-481-2792-4_16
  22. Sinclair G.M, Dolan T.J. Effect of stress amplitude on statistical variability in fatigue life of 75S-T6 aluminum alloy // Trans. ASME. 1953. V. 75. № 5. P. 867–870. https://doi.org/10.1115/1.4015460
  23. Puchi-Cabrera E., et. al. Fatigue behavior of AA7075-T6 aluminum alloy coated with ZrN by PVD // Int. J. Fatigue. 2008. V. 30. № 7. P. 1220–1230. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2007.09.001
  24. Yang H.H., et al. Synergistic effect of environmental media and stress on the fatigue fracture behaviour of aluminium alloys // Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. 2016. V. 39. № 10. P. 1309–1316. https://doi.org/10.1111/ffe.12457
  25. Ramamurty Raju P., Satyanarayana B., Ramji K. Sample Size determination for development of S-N curve of A356.2-T6 aluminum alloy // SDHM. 2008. V. 4 (3). P. 161–171. https://doi.org/10.3970/sdhm.2008.004.161

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2024