多元喷射电沉积混合结晶机理及纳米晶合金加工技术

提出一种由多个独立喷射流场构成的多元喷射电沉积加工系统，能通过运动控制实现不同类电沉积液交替喷射在某一阴极区域，实现纳米尺度下的异种金属混合结晶。前期试验证明结晶动力差异很大的Cu与Ni可在10nm尺度内实现混合结晶，并能在纯铜与纯镍间实现连续的配比。这种常温制备的超细纳米晶合金不仅能促进纳米尺度晶格变形、孪晶界强化等前沿机理研究，还能加工出纳米晶合金及纳米多层膜。该方法具有的低成本、低能耗特点，能对功能材料、表面工程、再制造工程的发展起到重要促进作用。项目主要研究内容：（1）多元喷射电沉积方法；（2）异种金属喷射电沉积混合结晶机理；（3）力学、电磁、超塑性能优良的纳米晶合金制备及性能研究；（4）围绕纳米晶非晶化、功能粒子添加的复合研究。项目主要创新：（1）提出多元喷射电沉积加工方法；（2）提出一种纳米尺度下的异种金属混合结晶机理；（3）能稳定加工成分可控的纳米晶合金及多层膜。

本项目属于特种加工新技术研究方向，以多层膜为研究对象，提出采用多元喷射电沉积方法制备多层膜。其基本原理类似多元磁控溅射，均通过不同的金属离子的交替沉积制备多层膜，该方法具有离子沉积、常温加工、低成本、大气环境制备等特点。项目按照申请书研究内容计划，对交替运动形式、多元喷射电场与流场、运动控制、混合结晶机理及复合加工等六个方面内容展开研究。并针对部分内容，如多元沉积平台的自动化、硅基体表面的多层膜制备、喷嘴3D打印设计等进行了计划外的研究。重要研究结果包括：.（1）多元喷射电沉积加工平台的构建及优化。先后构建了三套多元喷射电沉积加工平台，依次为旋转式多元喷射电沉积加工平台、平动式多元喷射电沉积加工平台及全自动平动式多元喷射电沉积加工平台。最新研制的全自动平台具有以下几个特点：① 完全防止交叉污染；② 限制自由度的磨擦复合加工；③ 长时稳定高效加工。基于该系列平台可以实现调制波长低至20nm以下，厚度最高达到毫米级的多元多层膜制备。.（2）喷射电沉积加工机理及多层膜制备基础研究。围绕喷射流场及电场、多层膜组织构成及半导体基体表面多层膜制备三方面展开研究。流场及电场部分，除了采用Fluent进行流场仿真外，还采用多物理场耦合分析软件COMSOL对电化学电场和流场进行耦合研究。此外，还基于流场仿真进行了喷嘴结构优化设计，并采用3D打印技术（SLA）进行了试验验证，为喷嘴的设计制造一体化研究奠定了基础。有关多层膜组织结构的研究表明，多元喷射电沉积可以高效的获得具有超晶格特征的纳米多层膜。而半导体基体的多层膜制备研究，则掌握了半导体镀前工艺、基体表面毛化工艺、表面定域电沉积工艺，并揭示了半导体电沉积时电沉积与电解伴生机理。.（3）喷射电沉积多层膜性能研究。针对不同调制波长的多层膜，开展了硬度、耐磨、耐腐蚀、巨磁阻等方面的研究。结果表明，纳米多层膜的硬度明显高于所构成的纳米晶金属硬度，远高于电沉积粗晶硬度。如，特定调制波长Cu/Ni多层膜显微硬度达到615HV，显著高于同工艺条件下的纳米晶Ni的528HV，远高于电沉积粗晶镍的160～180HV。特定调制波长下耐腐蚀性可以显著提高。如，NaCl溶液中，调制波长低于100nm的多层膜的耐腐蚀能力要100nm以上的好，当调制波长40nm时，耐腐蚀性能达到最佳。而Cu/Co多层膜GMR性能研究表明未来厚膜GMR性能将具有巨大潜力。