納米Al2O3顆粒增強(qiáng)電沉積鎳抗蠕變性能研究.pdf

1、電沉積鎳具有優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能,低內(nèi)應(yīng)力,良好的韌性與強(qiáng)度,并且通過LIGA技術(shù)可以制作出高深寬比的結(jié)構(gòu),在MEMS器件中得到了廣泛的應(yīng)用。然而純鎳在室溫下就會發(fā)生一定的蠕變變形,這使其制作的諸如功率型、電熱致動、高溫應(yīng)用、長期受應(yīng)力作用等類型的MEMS結(jié)構(gòu)與器件面臨長期可靠性低的風(fēng)險。
　　選擇納米Al2O3顆粒作為彌散增強(qiáng)的第二相粒子,并通過復(fù)合電鍍的方法復(fù)合進(jìn)入鍍鎳層中,以改善鍍鎳層蠕變性能。研究了鍍液中納米Al2O3顆粒

2、的添加量對鍍層成分、組織與性能的影響。通過動態(tài)記錄純Ni鍍層與納米Al2O3顆粒增強(qiáng)鎳基鍍層的變形、裂紋萌生及擴(kuò)展過程,分析了復(fù)合Al2O3顆粒與基體變形及斷裂的關(guān)系。對純鎳及Al2O3顆粒增強(qiáng)鎳基鍍層的蠕變性能進(jìn)行了測試,闡述了Al2O3顆粒增強(qiáng)鎳基復(fù)合鍍層的蠕變機(jī)理。
　　試驗結(jié)果表明逐步增加鍍液中納米Al2O3顆粒添加量,鎳鍍層中Al2O3顆粒復(fù)合量持續(xù)增加直至達(dá)到一個最大值后不再增加,在此過程中鎳鍍層晶粒尺寸逐漸減小,其顯

3、微硬度逐漸增大。納米Al2O3顆粒在鍍液中容易發(fā)生團(tuán)聚,導(dǎo)致復(fù)合進(jìn)入鎳鍍層中的既有尺寸較大的團(tuán)聚顆粒,也有彌散分布的納米級單一顆粒。團(tuán)聚顆粒組成比較松散,而單一顆粒與鎳基體具有良好的結(jié)合界面。
　　單調(diào)拉伸試驗證明復(fù)合Al2O3顆粒后電鍍鎳的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度相較于純鎳有顯著增加,其中Al2O3顆粒復(fù)合量為7.9vol％時,其抗拉強(qiáng)度達(dá)到734MPa,比純鎳提高34.2%。通過SEM原位拉伸進(jìn)行動態(tài)觀察發(fā)現(xiàn)Al2O3顆粒復(fù)合鎳基鍍

4、層中裂紋易于在大尺寸團(tuán)聚顆粒與基體結(jié)合界面處萌生,裂紋通過貫穿眾多團(tuán)聚顆粒與基體界面處的微小裂紋進(jìn)行擴(kuò)展。
　　蠕變拉伸試驗表明在測試溫度范圍內(nèi),Al2O3顆粒復(fù)合鎳基鍍層的穩(wěn)態(tài)蠕變速率低于純鎳,納米Al2O3顆粒的加入有效提高了電沉積鎳抵抗蠕變變形的能力。采用TEM觀察蠕變變形后的試樣,發(fā)現(xiàn)純Ni在蠕變過程中位錯相互纏結(jié)并形成胞狀結(jié)構(gòu),而Al2O3顆粒復(fù)合鎳基鍍層內(nèi)部不形成類似的胞狀組織,內(nèi)部由雜亂的高密度位錯構(gòu)成。計算得到純鎳