晶体取向差对金属Re自配副原子尺度载流磨损行为的影响
编号:378
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更新:2025-04-21 18:04:38 浏览:13次
特邀报告
摘要
微/纳机电系统在国防科技、医疗设备、航空航天、通信和传感技术等领域广泛应用,其运动构件的摩擦磨损性能直接决定系统的服役寿命和可靠性。当构件细到纳米尺度时,由于尺寸效应和表面效应,界面作用和静电引力成为影响对磨构件摩擦学行为的主要因素。然而,受原子力显微镜等实验设备条件限制,原子尺度摩擦学行为难以通过原位实验观察揭示其摩擦学本质机理。为解决这一难题,本文采用高分辨原位透射电子显微技术原位观察不同取向下金属铼(Re)自配副微凸体载流摩擦过程中接触界面的结构演变,详细阐述对磨界面的原子尺度磨损行为,建立“取向差-应力场-磨损机制关联模型”,可为MEMS器件的界面优化设计提供了实验参考和理论支持。研究结果如下:
(1)当金属铼(Re)自配副微凸体取向差为0°~1°时,其原子尺度载流摩擦过程中的磨损机制为严重的黏着磨损。在电场作用下,界面接触时会发生原子级瞬时黏着,同时产生{11-21}/{11-22}孪晶,两微凸体界面形成明显“颈状”结构;摩擦过程中,界面在“颈状”结构最小半径处平行于原子最密排面方向发生剪切,在切向应力的驱动下,沿[1-210]晶向产生微裂纹,并扩展断裂最终形成块状磨屑,粘附于对磨界面。
(2)当金属铼(Re)自配副微凸体取向差为8°-17.68°时,其原子尺度载流摩擦过程中的磨损机制为界面原子塑性流动介导的轻微黏着磨损。在电场作用下,界面接触时界面位错滑移与层错诱导的界面发生原子塑性流动,{11-21}/{11-22}孪晶持续生长,界面孪晶密度增大。在双轴应力场作用下,应力矢量方向交替转变引发界面运动,造成原子塑性流动,同时通过位错网络重构实现应力弛豫;界面剪切运动造成接触的微凸体沿孪晶界断裂,最终造成摩擦过程中的材料转移。
(3)当金属铼(Re)自配副微凸体取向差>37°时,其原子尺度载流摩擦过程中的磨损机制为孪晶介导的轻微磨损:在电场作用下,自配副微凸体接触初期形成大角度孪晶界面(θ=42.3°),受法向应力主导下,发生“孪生-退孪生”交替现象,孪晶重构机制使孪晶界在应力作用下不断运动;界面剪切运动造成接触的微凸体沿孪应力集中界面处断裂,最终造成孪晶介导的的材料转移。
(4)当金属铼(Re)自配副微凸体原子尺度摩擦过程中取向差梯度效应明显。随着取向差从0°增至63°,界面应变分布呈现“均匀→局部化→再均匀”的演化规律,主导磨损机制依次经历“黏着-塑性/孪生协同-孪生调控”转变,系统磨损率降低两个数量级(从103至101 atoms量级)。
关键字
原子尺度,原位透射电镜,载流摩擦,磨损机制,晶体取向
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