复杂环境下微电铸镍材料的力学性能与微观机理研究

As one of the 3D metal small structure processes, the research on micro-electroforming process technologies and micro-electroforming nickel’s mechanical properties have been a popular field for MEMS. Micro nickel’s properties are different from bulk nickel from micro-electroforming, so when the micro nickel is used in fuze, the research on mechanical properties and microstructure of micro nickel should be developed in the complex environment (low temperature, high temperature, and high shock loading). The memberships of the project propose to reveal the change of macroscopic properties according the evolution of microstructure based on amount of testing data. In order to discover the fundamental links between microstructure and mechanical properties, phase-field method and Gurson method are adopted to study the evolution of microstructure in complex environment. Using the evolution, microstructure FEA model can be built. The macroscopic & microscopic constitutive relations of micro nickel can also be gotten from testing data. Finally, based on micro nickel’s microstructure and microscopic constitutive relation, the analysis framework of nickel’s mechanical properties in the complex environment can be built. The research results can be used to micro nickel devices’ design, and can provide trust model for nickel devices’ failure mode and origin in complex environment.

作为金属三维微结构加工技术之一，微电铸加工工艺及微电铸镍材料的力学性能分析已成为MEMS领域的研究热点。由于微镍材料本身的工艺特点及在特殊场合中应用所面临的问题，需要对微电铸镍材料在复杂环境下（高低温、高冲击环境）力学性能的变化规律及物理机制进行研究。结合前期工作，申请者提出以试验数据为研究依据用微观结构的演化来解释材料宏观性能改变的研究思路。为了探讨二者的内在关联，本课题拟采用相场法和Gurson方法研究复杂环境下材料微观结构的演化过程，并由演化规律建立材料的多晶体微观有限元模型，同时利用试验数据描述材料的宏观和细观本构模型，最终形成基于细观本构模型和显微结构的复杂环境下微电铸镍器件力学性能分析体系。本课题的研究成果可为应用于复杂使用环境中的微镍器件和结构件的设计分析、失效模式和失效机理等研究提供可靠的分析模型。

由于微镍材料本身的工艺特点及在特殊场合中应用所面临的问题，项目组对微电铸镍材料在复杂环境下（高低温、高冲击环境）力学性能的变化规律及物理机制进行了研究。项目组提出以试验数据为研究依据用微观结构的演化来解释材料宏观性能改变的研究思路。.本项目首先通过对微电铸镍材料的宏观力学性能测试以及微观组织结构的测量，探讨二者的内在关联。通过对EBSD得到的晶粒尺寸进行统计，可知3批微电铸镍试样的平均晶粒尺寸依次增大，分别为798.43 nm、848.26 nm和890.04 nm；宏观力学性能测得3批微电铸镍试样的屈服强度依次减小，分别为539.245 MPa、477.7 MPa和231.98 MPa。由宏观力学性能和微观结构的对比可知，微电铸镍材料的屈服强度和晶粒尺寸关系符合Hall-Petch关系式，同时，也符合细晶强化理论。.其次，以引信为应用背景，研究复杂环境（高低温环境、高冲击环境）对微电铸镍材料宏微观性能的影响。通过EBSD实验，得出经高低温贮存后试样的晶粒尺寸数据，在常温下，晶粒的平均尺寸约为0.859 μm，-54℃时，晶粒的平均尺寸约为0.824 μm，71℃时，晶粒的平均尺寸约为0.868 μm，在-54℃—71℃的贮存温度范围内，材料晶粒平均尺寸与贮存温度呈现了近似线性的关系；对不同应变率下断口的晶粒尺寸进行了测量，得出，高应变率下断口晶粒尺寸比准静态加载时的断口晶粒尺寸明显增加的结论。.再次，利用试验数据描述材料的宏观和细观本构模型，形成基于细观本构模型和显微结构的复杂环境下微电铸镍器件力学性能分析体系。.最后，采用仿真方法，研究复杂环境下材料微观结构的演化过程，并由演化规律建立材料的多晶体微观有限元模型，将织构模型引入到仿真模型中，得出微电铸镍材料的弹性模量和屈服强度受织构强度和织构类型双重因素影响的结论。.本课题的研究成果可为应用于复杂使用环境中的微镍器件和结构件的设计分析、失效模式和失效机理等研究提供可靠的分析模型。