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薄膜应力的研究进展

陈

焘,罗崇泰

（兰州物理研究所，表面工程技术国家级重点实验室，甘肃兰州730000）

摘

要：薄膜应力对薄膜性能具有重要的影响。主要介绍了薄膜应力形成机理和应力实验的研究进展，并探讨了

薄膜应力研究的发展趋势。通过选择适当的工艺条件以及表面处理可以改变薄膜的应力分布，提高薄膜的性能。

关键词：薄膜；应力；光学薄膜；模型中图分类号：O484

文献标识码：A

文章编号：1006-7086（2006）02-0068-07

THE RESEARCH PROGRESS OF THIN FILM STRESS

CHEN Tao ,LUO Chong-tai

（Lanzhou Institute of Physics,National Key Lab.Of Surface Engineering,Lanzhou 730000,China ）

Abstract:Influence of thin film stress is very significant on thin film properties.The progress of thin film stress development mechanisms and stress experimental study is introduced.The dominant direction of the study of thin fi-lm stress is discussed.Through the selection of processing parameters and surface modification.The distribution of th-in film stress is possible changed and thin film property is improved.

Key words:thin film;stress;optical film;model

1引言

随着真空科学与技术的迅速发展，薄膜应力在薄膜基础理论研究和应用研究中日益受到人们广泛的关注[1～9]。通过对薄膜应力进行系统的研究，阐明应力的产生机制，就可以深入了解应力对薄膜的生长过程和微观结构的影响；通过建立相关的薄膜应力控制技术，就可以控制薄膜应力的变化，从而减小薄膜元件的形变，提高元件的使用寿命。

薄膜应力的形成是一个复杂的过程。一般来说，薄膜应力起源于薄膜生长过程中的某种结构不完整性（如杂质、空位、晶粒边界、位错等）、表面能态的存在以及薄膜与基体界面间的晶格错配等[10]。在薄膜形成后，外部环境的变化同样也可能使薄膜内应力发生变化，如热退火效应使薄膜中的原子产生重排，结构缺陷得以消除（或部分消除），或产生相变和化学反应等，从而引起应力状态的变化。

2薄膜应力产生机理模型

人们通过对薄膜应力和微观结构的广泛研究，提出了不少薄膜应力起源的物理模型[11]，其中比较重要

的、能部分说明问题的有Winosita 模型、Kilcook 模型、Bauer 模型、Klockholm 模型以及Hoffman 模型。前3个模型比较适用于不连续的或者部分连续的薄膜，或者很薄的连续薄膜；后2个模型较适用于比较厚的连续薄膜。Winosita 模型认为，

薄膜中的本征应力来源于小岛的联合，因为小岛联合后的表面积小于联合前的小岛面积之和。Kilcook 模型则认为，本征应力来源于在薄膜形成过程中的退火作用，由于退火作用，薄膜中的空

收稿日期：2005-11-28.

基金项目：表面工程技术国家级重点实验室基金（51418060305HT6007）资助。

作者简介：陈焘（1973-），

男，甘肃省陇西县人，博士，从事空间光学薄膜及薄膜物理学研究。第12卷第2期2006年6月

真空与低温

Vacuum &Cryogenics

位、空洞（空位的集合体）等缺陷向表面扩散而消除，晶界的微孔减小，薄膜体积因而发生收缩，产生出张应力。Bauer模型认为，薄膜中的应力来源于薄膜沉积过程中的相变，若体积膨胀，密度减小，则产生压应力；情况相反时则产生张应力。Hoffman模型则认为，薄膜中的本征应力来源于晶粒之间的相互作用。

人们对于本征应力还提出了其他模型，如杂质效应、钉扎效应等模型。杂质效应是指在成膜过程中，残留气体作为杂质进入薄膜，以及成膜以后薄膜表面发生氧化。此外，还有基片原子向薄膜中的扩散，这些杂质进入薄膜后，都使薄膜产生压应力。钉扎效应是指在溅射成膜时，在辉光放电中被加速的离子和原子（能量为102～104eV）撞击薄膜表面，并进入其内部，造成所谓钉孔。此外，以溅射形式飞出的原子一般有10eV左右的能量，远高于蒸发原子的能量。因此使晶体内部形成空位和离位原子，结果造成薄膜体积增大。由于以上原因，在溅射形成的薄膜中，经常存在压应力。

这些模型主要是针对于金属薄膜的应力而提出的，但是对于光学薄膜中常用的介质薄膜，特别是对于介质薄膜中压应力的产生机理，目前还不是很清楚。

Knuyt[12]通过研究离子束辅助沉积薄膜时应力的变化情况，提出了张压应力的转化模型。在这个模型中，可以对由几个沉积参数组成的连续函数对张应力到压应力的连续变化过程进行合理的解释。数值计算表明，薄膜的应力可以从张应力到压应力连续变化，但应力的实际大小取决于实验参数，因为它必须考虑薄膜中2个相邻柱状体之间的柱间间隙的大小。

多数光学薄膜器件都是由多层薄膜组成的，但是对于多层薄膜的应力研究还进行的比较少。Hsueh通过分析，提出了弹性多层薄膜的热应力分析模型[13]。在以前的模型中，通常假设整个多层薄膜系统的弹性模量为常数，但是实际情况并非如此。在这个分析模型中，考虑了各个膜层的弹性模量不同的情况，系统中的应变分布被分解为常数部分和弯曲部分。使用这种方法，膜层之间的边界条件自动得到满足，而且不管系统中的膜层有多少，仅仅只需要3个边界条件，就可以求解多层薄膜系统中的热应力分布。

最近，一种基于改进TFD(Thomas-Fermi-Dirac)理论[14]的新机制被用于解释薄膜中内应力的产生。这一解释认为，薄膜材料和基底材料表面电子密度的差异是内应力的起因，在薄膜与基底的界面处，表面电子密度必须保持连续。这一理论揭示了控制和减小薄膜内应力的一些途径：在材料筛选上，选择合适的薄膜材料可以一定程度地防止高应力的产生；在尺寸设计上，由于内应力的大小与薄膜基底的厚度比成反比，厚度比越小，薄膜中内应力越大，所以适当加厚薄膜可以减小内应力；在工艺上，如果采取能够减小薄膜和基底之间表面电子密度差的技术，可以有效地减小薄膜中的内应力。最近已经有研究者利用离子注入的方法，调整材料的表面电子密度，相关的实验结果证实，这确实能够很大程度地减小薄膜内的残余应力[15]。

总之，人们对于薄膜应力产生机理的研究已经取得了大量的成果，然而这些模型基本上都是定性或半定量的，每个模型本身只能说明部分实验事实。在对薄膜应力产生机理的研究过程中，也试图去控制薄膜中应力的变化，在这方面也取得了一些进展。

3薄膜应力的实验研究

在1965年，Anthony E Ennos就对各种光学薄

膜（主要包括介质薄膜和金属膜等）中的应力变化进

行了详细的研究，并且给出了ZnS、Na3AlF6、MgF2和

PbF2等单层薄膜及多层薄膜在成膜时的应力分布[16]。

研究结果显示：薄膜厚度至少达到3～5nm时才会出

现明显的应力；大多数薄膜存在着张应力，但有的薄

膜也出现压应力；有些薄膜（例如ZnS和MgF2等）在

生长开始后不久就形成了一个常数应力，即在薄膜中

建立了稳定的平衡应力，如图1所示；而一些薄膜

（Na3AlF6、PbF2等）中的应力是随着膜厚而变化的，如图2所示。同时也测试了PbF2/Na3AlF6、ZnS/Na3AlF6沉积速率：1为0.25nm/s；2为2.20nm/s。

图1ZnS薄膜的应力分布

陈焘等：薄膜应力的研究进展

真空与低温第12卷第2期

变形结果放大因子为106

图4反射镜的有限元模型和应力引起的变形

多层薄膜的应力。从图3中可以看出：在开始沉积的几层薄膜中平均应力的大小波动很大，随着膜层数量的增加，应力逐渐趋于一个常数，当多层薄膜暴露于大气后，最后的多层薄膜应力略有下降。但对于应力的产生机理并没有进行研究。

Paul A Spence 和Michael P Kanouff 等利用有限元模型对由于应力引起的光学元件的变形情况进行了

数值计算，并且就变形引起的光学性能变化进行了分析[17]。研究者认为，均匀的膜层应力作用在平基片上就会产生球形形变和一个非球形的边界效应。从图4中可以明显的看到镜子表面周边的边界效应，镜子中心发生了球形形变，而镜子表面边缘明显向外突出，出现了非球形的边界效应。通过深入研究分析，作者提出了反射镜在设计和制作中应注意以下几个问题：光学元件的生产过程中应力应最小化；膜层中应力的变化量应最小化；基底尺寸在系统允许的范围内应最小化。在设计中必须综合考虑这几方面的因素。这些数值模拟结果为反射镜的设计提供了宝贵的参考数据。

图5为3种不同应力变化在基片上引起的非球形形变的轮廓线。结果表明：应力的变化对光学元件的非球形形变有很大的影响。应力的变化引起的非球形形变不仅发生在光学元件的边缘，而且布满整个光学元件的表面；单个周期的应力变化（第一种情况）引起的非球形形变明显大于另2种情况。研究还表明：由于应力变化引起的非球形形变是随着基片厚度的增加而减小的，而且不管应力分布（边缘效应）如何，发生在基片边缘的非球形形变，

图3

ZnS/Na 3AlF 6多层薄膜的应力分布

沉积速率：1为冰晶石，3.5nm/s ；2为冰晶石，2.3nm/s ；

3为锥冰晶石，4.0nm/s 。

图2

Na 3AlF 6薄膜的应力分布

形变位移大小=0.52nm

形变位移大小=0.39nm

形变位移大小=0.34nm

应力大小为-400MPa ；基片大小为φ200mm×10mm 。

图5由不同应力变化引起的非球形形变情况

都是随着自由区的增大而增加的。因此必须综合考虑这2个方面的影响来优化设计基片的厚度。

图形的保真度是超紫外曝光机最基本的要求，当特征尺寸很小（小于90nm ）时，它变得更为重要。但是薄膜中的本征应力经常会引起掩模的变形，进而造成图形的失真。Zhaohua Feng 和Ed-

ward G Lovell 等研究认为：Stoney 方程是基于线

性弹性理论，它成立的前提是面内的应力必须均匀分布，然而实际上并非如此[18]。通过分析他们提出了一种薄膜应力测试的有限元技术。图6和图7所示的就是利用这种方法测试的反射镜多层薄膜中的形变和应力分布情况。结果表明，这种技术对于多层薄膜反射镜的非均匀应力分布的分析是很有用的，从而便于反射镜的应力控制。

近年来，随着微电子机械系统（MEMS ）的发展，薄膜应力的研究成为MEMS 制造中的一个关键问题。这是因为MEMS 材料经常以薄膜的形式存在。在MEMS 应用中要求薄膜本身具有较小的张应力，且膜内有小的应力梯度；如果薄膜内应力过大，会使MEMS 结构层形变甚至破裂，造成器件失效。例如JAMES Webb 太空望远镜上的多目标分光计（MOS ）的微快门阵列就是使用MEMS 技术制造的[19]。微快门阵列是由封闭的悬臂氮化硅膜组成，沉积在它上面的铁磁性薄膜（Co 90Fe 10）去实现快门的作用。由于沉积的Co 90Fe 10薄膜具有很大的张应力，造成了悬臂氮化硅膜的弯曲，如图8所示，尤其在太空应用中，微快门阵列工作在30K 的低温环境下，影响了MOS 的对比度。Yun Zheng 和Rainer Fettig 等研究认为，在高真空和低功率条件下溅射沉积的Co 90Fe 10薄膜具有更小的张应力。通过优化沉积参数，减小了膜层中的张应力，从而解决了微快门阵列的弯曲问题，制造出了平的微快门阵列，如图9所示。

图6

多层薄膜应力引起的形变3D 轮廓

图7多层薄膜反射镜的应力分布

图8高应力引起微快门阵列弯曲的SEM 照片

陈焘等：薄膜应力的研究进展

真空与低温第12卷第2期

Kuo-shen Chen 和Xin Zhang [20]等通过研究等离子增强化学气相沉积氧化物和氮化物薄膜在热循环和

退火条件下的热力行为，阐明了本征应力的产生和控制机理，提供了MEMS 制造过程中应力控制的解决方法。研究表明，综合考虑加热速率和精确控制应力松弛过程，设计新的薄膜沉积过程，以减小薄膜应力（基片曲率）是完全可能的。提出了在氧化物薄膜中，氢的缺失和微空穴的缩小是张应力产生的主要原因，如图10、图11所示；并且通过实验证明高温退火可以减小氧化物薄膜的本征应力，如图12所示。这与理论计算的结果是相一致的。

张国炳、郝一龙[21]等通过对Pt/Ti/SiO 2复合膜应力的研究表明：多层膜的应力受单层膜的应力、单层膜厚度和不同单层膜的结构组成的影响；可以选取合适的结构组成厚度等，使复合膜为零应力或一定的应力梯度，以达到控制复合膜应力和应力梯度的目的。

范瑞瑛、范正修[22]对薄膜应力在强激光薄膜应用中的重要性进行了论述，分析了应力的形成原因及沉积参数、老化条件与薄膜应力的关系。薄膜在激光辐照下，由于残余应力的存在，加速了薄膜内的热力耦合作用，使其成为薄膜破坏的敏感因素。图13、图14分别给出了硅锗基底上的SiO 2单层薄膜和

BK7基底上的HfO 2/SiO 2多层膜的残余应力与基底

种类、沉积条件和老化时间的关系。实验研究表明：不同基底（Si 或Ge ）上的SiO 2薄膜的应力值是不一样的；Si 基底上的SiO 2薄膜的总应力随基底温度的上升压应力上升；随着沉积时氧压的上升压应力

图9平的微快门阵列SEM 照片

图10本征应力产生的几何模型图11在不同特征尺寸下空穴收缩过程中的本征应力

图12

PECVD 氧化物薄膜在退火时的应力松弛过程

下降，在氧压高于一定值时甚至会使压应力变为张应力；随着老化时间和环境的变化，应力数值和性质也会发生变化。这样就可以找到一个使SiO 2薄膜的应力值最小的最佳基底温度和氧压值，以及最佳的储存环境和时间。

王若楠、刘继峰[15]等通过对CoSi 2薄膜中本征应力的分析，证明了基体与薄膜的原子表面电子密度差是薄膜本征应力的来源。通过离子注入和退火实验，发现薄膜中的应力随C +注入剂量的增加而减小，如图15所示，并且与理论计算的数值相吻合。

李爱侠、孙大明[23]等对在Si 基底上真空蒸发沉积Ag-

MgF 2复合薄膜的内应力进行了研究，采用了电子薄膜测

试仪对不同温度、不同厚度Ag-MgF 2复合薄膜内应力变化情况进行测试，得到基底温度(退火温度)在300～400℃范围内薄膜平均应力最小，且处于张应力向压应力的转变区域；在Ag-MgF 2复合薄膜中Ag 对复合薄膜内应力的影响大于MgF 2。

邵淑英、范正修[24]等采用ZYGO Mark Ⅲ-GPI 数字波面干涉仪对电子束蒸发方法制备的ZrO 2薄膜中的残余应力进行了研究，讨论了沉积温度、沉积速率等工艺参数对ZrO 2薄膜残余应力的影响。研究表明，

随着沉积温度和沉积速率的提高，ZrO 2薄膜中的残余应力由张应力变为压应力，且压应力随着沉积温度的升高而增大；ZrO 2薄膜中的残余应力主要来源于薄膜沉积过程中微结构的复杂变化，选择合适的沉积参数可以控制薄膜中应力的变化。

关于薄膜应力的研究已取得了大量的科研成果和丰富的实验数据。但许多研究主要集中在单层薄膜的应力研究，对于以多层薄膜为主的光学薄膜应力的研究还比较少，如果能在这方面多做一些工作，相信会对光学薄膜的应用起到很大的作用[25]。

4结束语

人们对薄膜应力在产生机理、应力梯度控制、应力对器件的影响等方面都展开了深入的研究，但普遍性

的结论并不多。从目前的现状看，今后薄膜应力研究的趋势主要集中在以下几个方面：（1）薄膜应力产生机

（a ）Si 基底上沉积的薄膜在真空中测得的应力值；（b ）Si 基底上沉积的薄膜在干净的室内空气中老化20天后测得的应力值；（c ）Ge 基底上沉积的薄膜在干净的室内空气中老化20天后测得的应力值。

图13

在200℃下沉积的SiO 2薄膜的残余应力与氧压的关系

（▲）样品1：保持在室内空气中；（○）样品2：2h 后放在真空内100h ；

（○）样品2：先在室内空气中2h ，再在真空中100h 后又在空气中。Si 基底；沉积温度285℃；氧压1×10-2Pa 。

图14

相同条件下蒸发的SiO 2薄膜在不同条件下的老化曲线

图15

CoSi 2薄膜内应力与Si 基体中C +

注入剂量的关系

陈焘等：薄膜应力的研究进展

真空与低温第12卷第2期74

（2）进一步研究薄膜应力理的深入研究，例如从分子动力学的角度进行计算机模拟来探讨应力的产生机制；

（3）随着MEMS器件的迅速发展，薄膜应力的精确测量显的控制技术，以期望得到预期的应力或应力梯度；

得尤为重要，因此研究薄膜应力的精确测量技术成为必然。

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多晶硅薄膜应力特性研究(1)

第20卷第6期半　导　体　学　报 V o l.20,N o.6 1999年6月 CH I N ESE JOU RNAL O F SE M I CONDU CTOR S June,1999　多晶硅薄膜应力特性研究张国炳　郝一龙　田大宇　刘诗美　王铁松　武国英 (北京大学微电子学研究所　北京　100871) 摘要　本文报道了低压化学气相淀积(L PCVD)制备的多晶硅薄膜内应力与制备条件、退火 ,用XRD、R ED等技术测量分析了多晶硅膜的微结构组成.结果表明,L PCVD制备的多晶硅薄膜具有本征压应力,其内应力受淀积条件、微结构组成等因素的影响.采用快速退火(R TA)可以使其压应力松弛,减小其内应力,并可使其转变成为本征张应力,以满足在微机电系统(M E M S)制备中的要求. PACC:6220,7360F,6860 1　引言多晶硅薄膜由于其特有的导电特性和易于实现自对准工艺的优点,在大规模集成电路(VL S I)的制备中有着广泛的应用.对多晶硅薄膜的导电特性已进行了深入的研究[1].近年来,随着集成电路的发展,特别是微机电系统(M E M S)的兴起,多晶硅膜作为M E M S中的基本结构材料,其机械特性直接影响着器件的性能和稳定性、可靠性. 在M E M S应用中要求多晶硅膜本身具有较小的张应力且膜内有小的应力梯度,如果多晶硅膜内应力过大,会使M E M S结构层形变甚至断裂,造成器件失效.所以,控制制备工艺条件,使其具有较小的张应力,成为M E M S制造工艺中的一个很关键的问题[2,3].本文对L PCVD多晶硅薄膜的应力特性进行了实验研究,主要包括:制备工艺条件、退火温度和时间、掺杂浓度和微结构组成对其应力特性的影响.实验中采用薄膜全场应力测试系统测量薄膜的应力,用X光衍射(XRD)及反射电子衍射(R ED)等技术测量分析了多晶硅膜的微结构组成. 2　实验 2.1　实验样品制备实验样品采用在N型(100)单晶硅衬底热生长300～500nm厚的Si O2膜;再用低压化学气相淀积生长多晶硅薄膜,工艺条件为:淀积温度分别为575℃和610℃,压力30Pa,硅烷张国炳　男,1937年出生,教授,从事半导体器件物理及VL S I和M E M S中薄膜结构特性及应用研究郝一龙　男,1963年出生,副研究员,从事VL S I多层互连技术及M E M S器件和制备工艺研究 1998202213收到,1998208225定稿

第11章梁的弯曲应力要点

第11章梁的弯曲应力教学提示：梁纯弯曲和横力弯曲时横截面上的正应力；梁横力弯曲时横截面上的切应力；提高弯曲强度的若干措施、薄壁杆件的切应力流和弯曲中心。教学要求：掌握梁纯弯曲时横截面上正应力计算公式的推导过程，理解横力弯曲正应力计算仍用纯弯曲公式的条件和近似程度。掌握中性层、中性轴和翘曲等基本概念和含义。熟练掌握弯曲正应力和剪应力强度条件的建立和相应的计算。了解什么情况下需要对梁的弯曲切应力进行强度校核。从弯曲强度条件出发，掌握提高弯曲强度的若干措施。在外荷载作用下，梁截面上一般都有弯矩和剪力，相应地在梁的横截面上有正应力和剪应力。弯矩是垂直于横截面的分布内力的合力偶矩；而剪力是切于横截面的分布内力的合力。本章研究正应力σ和剪应力τ的分布规律，从而对平面弯曲梁的强度进行计算。 11.1梁的弯曲正应力平面弯曲情况下，一般梁横截面上既有弯矩又有剪力，如图11.1所示梁的AC、 DB段。而在CD段内，梁横截面上剪力等于零，而只有弯矩，这种情况称为纯弯曲。下面推导梁纯弯曲时横截面上的正应力公式。应综合考虑变形几何关系、物理关系和静力学关系等三个方面。 11.1.1 弯曲正应力一般公式 1、变形几何关系为研究梁弯曲时的变形规律，可通过试验，观察弯曲变形的现象。取一具有对称截面的矩形截面梁，在其中段的侧面上，画两条垂直于梁轴线的横线mm和nn，再在两横线间靠近上、下边缘处画两条纵线 ab和cd，如图11.2(a)所示。然后按图 11.1(a)所示施加荷载，使梁的中段处于纯弯曲状态。从试验中可以观察到图11 .2(b)情况：（1）梁表面的横线仍为直线，仍与纵线正交，只是横线间作相对转动。

薄膜应力测试方法

薄膜的残余应力测试一、薄膜应力分析图一、薄膜应变状态与应力薄膜沉积在基体以后，薄膜处于应变状态，若以薄膜应力造成基体弯曲形变的方向来区分，可将应力分为拉应力(tensile stress)和压应力 (compressive stress)，如图一所示。拉应力是当膜受力向外伸张，基板向内压缩、膜表面下凹，薄膜因为有拉应力的作用，薄膜本身产生收缩的趋势，如果膜层的拉应力超过薄膜的弹性限度，则薄膜就会破裂甚至剥离基体而翘起。压应力则呈相反的状况，膜表面产生外凸的现象，在压应力的作用下，薄膜有向表面扩张的趋势。如果压应力到极限时，则会使薄膜向基板内侧卷曲，导致膜层起泡。数学上表示方法为拉应力—正号、亚应力—负号。造成薄膜应力的主要来源有外应力 (external stress)、热应力 (thermal stress) 及內应力 (intrinsic stress)，其中，外应力是由外力作用施加于薄膜所引起的。热应力是因为基体与膜的热膨胀系数相差太大而引起，此情形发生于制备薄膜時基板的温度，冷卻至室温取出而产生。內应力则是薄膜本身与基体材料的特性引起的，主要取决于薄膜的微观结构和分子沉积缺陷等因素，所以薄膜彼此的界面及薄膜与基体边界之相互作用就相當重要，這完全控制于制备的参数与技术上，此为应力的主要成因。二、薄膜应力测量方法

测量薄膜内应力的方法大致可分为机械法、干涉法和衍射法三大类。前两者为测量基体受应力作用后弯曲的程度，称为曲率法；后者为测量薄膜晶格常数的畸变。（一）曲率法假设薄膜应力均匀，即可以测量薄膜蒸镀前后基体弯曲量的差值，求得实际薄膜应力的估计值，其中膜应力与基体上测量位置的半径平方值、膜厚及泊松比(Poisson's ratio) 成反比；与基体杨氏模量 (Es，Young's modulus)、基体厚度的平方及蒸鍍前后基体曲率（1/R）的相对差值成正比。利用这些可测量得到的数值，可以求得薄膜残余应力的值。 1、悬臂梁法薄膜沉积在基体上，基体受到薄膜应力的作用发生弯曲。当薄膜的应力为拉应力时，基体表面成为凹面，若为压应力，基板的表面变为凸面。于是可以将一基体的一端固定，另一端悬空，形成机械式悬臂梁，如图二所示。测量原理为将激光照在自由端上的一点，并在沉积薄膜后再以相同方法测量一次，得到反射光的偏移量，进而求得薄膜的残余应力。图二、悬臂梁法示意图 2、牛顿环法本法是利用基体在镀膜后，薄膜产生的弯曲面与一参考平面，产生干涉条纹的牛顿环，利用测量到的牛顿环间距与条纹数，推算基体的曲率半径R，其中R 与牛顿环直径之平方差成正比，并与波长的4倍、牛頓环条纹数的差成反比，將所求得的R帶入牛顿环应力公式，可求出残余应力值 (如图三)。

氧化膜应力研究进展_李美栓

第11卷第5期1999年9月腐蚀科学与防护技术 CORR OSI ON SC IENCE AND PR OTECT I ON TECHNOLOG Y V o l.11N o.5 Sep.1999 氧化膜应力研究进展Ξ 李美栓辛丽钱余海李铁藩 (中国科学院金属腐蚀与防护研究所金属腐蚀与防护国家重点实验室沈阳110015) 摘　要　综述了氧化膜应力产生与释放机理,重点介绍了氧化膜应力原位测试技术的新进展及稀土元素对氧化膜应力的影响.探讨了氧化膜应力研究的发展方向. 关键词　应力氧化膜高温氧化学科分类号　T G172.82 高温合金或高温防护涂层的抗氧化性能依赖于表面能否形成一层致密、完整的氧化膜.氧化膜内应力是决定氧化膜完整性的重要因素.这是因为氧化膜内普遍存在的应力,往往导致氧化膜发生开裂和剥落,致使氧化膜丧失保护作用.通过对氧化膜应力的研究,可以了解氧化膜破裂机理,进而达到改善氧化膜抗剥落性从而提高金属材料或防护涂层的抗氧化性能的目的. 氧化膜应力的精确测量是氧化膜应力研究的基础.已经发展了多种氧化膜应力原位测量技术[1-5].由于氧化膜较薄,氧化膜与基体金属构成一动态复合体系以及环境温度高等特点,氧化膜应力的测试技术与常规薄膜的不同.从四十年代开始对氧化膜应力进行定量测量[6],由于技术的限制,测试范围和精度一直达不到像薄膜残余应力测量的程度.但是,近年来随着新技术的应用和研究的深入,在氧化膜应力方面才取得了明显进展.尽管如此,对氧化膜应力的研究工作还远远不够,许多问题亟待进一步澄清. 本文总结了氧化膜应力产生和释放机制,氧化膜应力原位测量技术以及稀土对氧化膜应力影响等方面的研究进展,以探求氧化膜应力研究的发展方向. 1.氧化膜应力产生氧化膜中存在两种类型的应力:氧化膜恒温生长时产生的生长应力和温度变化时由于金属与氧化物的热膨胀系数不同而产生的热应力. 1.1生长应力生长应力的产生因素较多,归结起来主要有:1)氧化物和形成该氧化物所消耗金属的体积不同(对应的比值定义为P illing2B edw o rth比[1],简称PBR);2)氧化物在基体金属上取向生长;3)金属或氧化膜成份变化;4)膜内晶格缺陷;5)新氧化物在已经形成的氧化膜内生成;6)氧化物固相反应、再结晶及相变;7)材料表面的几何形状. Ξ国家自然科学基金资助项目(项目号:59701010) 　收到初稿:1998208212,收到修改稿:1999201223

一点应力状态概念及其表示方法

一点应力状态概念及其表示方法凡提到“应力”，必须指明作用在哪一点，哪个（方向）截面上。因为受力构件内同一截面上不同点的应力一般是不同的，通过同一点不同（方向）截面上应力也是不同的。例如，图8-1弯曲梁横截面上各点具有不同的正应力与剪应力；图8-2通过轴向拉伸杆件同一点的不同（方向）截面上具有不同的应力。

２．一点处的应力状态是指通过一点不同截面上的应力情况，或指所有方位截面上应力的集合。应力分析就是研究这些不同方位截面上应力随截面方向的变化规律。如图8-3是通过轴向拉伸杆件内点不同（方向）截面上的应力情况（集合）３．一点处的应力状态可用围绕该点截取的微单元体（微正六面体）上三对互相垂直微面上的应力情况来表示。如图8-4（a,b）为轴向拉伸杆件内围绕点截取的两种微元体。特点：根据材料的均匀连续假设，微元体（代表一个材料点）各微面上的应力均匀分布，相互平行的两个侧面上应力大小相等、方向相反；互相垂直的两个侧面上剪应力服从剪切互等关系。

§8-２平面应力状态的工程实例１．薄壁圆筒压力容器

为平均直径，为壁厚由平衡条件得轴向应力：（8-1a）图8-5c（Ⅰ-Ⅰ，Ⅱ-Ⅱ为相距为的横截面，H-H为水平径向面）由平衡条件或, 得环向应力：（8-1b） 2．球形贮气罐（图8-6）由球对称知径向应力与纬向应力相同，设为对半球写平衡条件：

得（8-2） 3．弯曲与扭转组合作用下的圆轴 4．受横向载荷作用的深梁　　　　 §8-3平面一般应力状态分析——解析法空间一般应力状态

如图8-9a所示，共有9个应力分量：面上的，，；面上的，，；面上的，，。 1）应力分量的下标记法：第一个下标指作用面（以其外法线方向表示），第二个下标指作用方向。由剪应力互等定理，有：，，。2）平面一般应力状态如图8-9b所示，即空间应力状态中，方向的应力分量全部为零（）；或只存在作用于x-y平面内的应力分量，，，，其中，分别为，的简写，而= 。 3）正负号规定：正应力以拉应力为正，压为负；剪应力以对微元体内任意一点取矩为顺时针者为正，反之为负。 2．平面一般应力状态斜截面上应力如图8-10所示，斜截面平行于轴且与面成倾角，由力的平衡条件：和可求得斜截面上应力，：

薄膜应力测试方法

薄膜的残余应力一、薄膜应力分析图一、薄膜应变状态与应力薄膜沉积在基体以后，薄膜处于应变状态，若以薄膜应力造成基体弯曲形变的方向来区分，可将应力分为拉应力(tensile stress)和压应力 (compressive stress)，如图一所示。拉应力是当膜受力向外伸张，基板向内压缩、膜表面下凹，薄膜因为有拉应力的作用，薄膜本身产生收缩的趋势，如果膜层的拉应力超过薄膜的弹性限度，则薄膜就会破裂甚至剥离基体而翘起。压应力则呈相反的状况，膜表面产生外凸的现象，在压应力的作用下，薄膜有向表面扩张的趋势。如果压应力到极限时，则会使薄膜向基板内侧卷曲，导致膜层起泡。数学上表示方法为拉应力—正号、亚应力—负号。造成薄膜应力的主要来源有外应力 (external stress)、热应力 (thermal stress) 及內应力 (intrinsic stress)，其中，外应力是由外力作用施加于薄膜所引起的。热应力是因为基体与膜的热膨胀系数相差太大而引起，此情形发生于制备薄膜時基板的温度，冷卻至室温取出而产生。內应力则是薄膜本身与基体材料的特性引起的，主要取决于薄膜的微观结构和分子沉积缺陷等因素，所以薄膜彼此的界面及薄膜与基体边界之相互作用就相當重要，這完全控制于制备的参数与技术上，此为应力的主要成因。二、薄膜应力测量方法

材料力学习题第六章应力状态分析答案详解

第6章应力状态分析一、选择题 1、对于图示各点应力状态，属于单向应力状态的是（A ）。 20 （MPa ） 20 d （A ）a 点；（B ）b 点；（C ）c 点；（D ）d 点。 2、在平面应力状态下，对于任意两斜截面上的正应力αβσσ=成立的充分必要条件，有下列四种答案，正确答案是（ B ）。（A ）,0x y xy σστ=≠；（B ）,0x y xy σστ==；（C ）,0x y xy σστ≠=；（D ）x y xy σστ==。 3、已知单元体AB 、BC 面上只作用有切应力τ，现关于AC 面上应力有下列四种答案，正确答案是（ C ）。（A ）AC AC /2,0 ττσ==；（B ）AC AC /2,/2ττ σ==；（C ）AC AC /2,/2 ττσ==；（D ）AC AC /2,/2ττσ=-=。 4、矩形截面简支梁受力如图（a ）所示，横截面上各点的应力状态如图（b ）所示。关于它们的正确性，现有四种答案，正确答案是（ D ）。

(b) (a) （A）点1、2的应力状态是正确的；（B）点2、3的应力状态是正确的；（C）点3、4的应力状态是正确的；（D）点1、5的应力状态是正确的。 5、对于图示三种应力状态（a）、（b）、（c）之间的关系，有下列四种答案，正确答案是（ D ）。 τ (a) (b) (c) （A）三种应力状态均相同；（B）三种应力状态均不同；（C）（b）和（c）相同；（D）（a ）和（c）相同； 6、关于图示主应力单元体的最大切应力作用面有下列四种答案，正确答案是（ B ）。 (A) (B) (D) (C) 解答： max τ发生在 1 σ成45的斜截面上 7、广义胡克定律适用范围，有下列四种答案，正确答案是（ C ）。（A）脆性材料；（B）塑性材料；（C）材料为各向同性，且处于线弹性范围内；（D）任何材料； 8、三个弹性常数之间的关系：/[2(1)] G E v =+适用于（ C ）。（A）任何材料在任何变形阶级；（B）各向同性材料在任何变形阶级；

压力容器薄膜应力理论分析

压力容器薄膜应力理论分析本章重点内容及对学生的要求：（1）压力容器的定义、结构与分类；（2）理解回转薄壳相关的几何概念、第一、二主曲率半径、平行圆半径等基本概念。（3）掌握回转壳体薄膜应力的特点及计算公式。第一节压力容器概述 1、容器的结构如图1所示，容器一般是由筒体（壳体）、封头（端盖）、法兰、支座、接管及人孔（手孔）视镜等组成，统称为化工设备通用零部件。图1 容器的结构示意图 2、压力容器的分类压力容器的使用范围广、数量多、工作条件复杂，发生事故的危害性程度各不相同。压力容器的分类也有很多种，一般是按照压力、壁厚、形状或者在生产中的作用等进行分类。本节主要介绍以下几种： ○ 1按照在生产工艺中的作用反应容器（R ）：主要用来完成介质的物理、化学反应，利用制药中的搅拌反应器，化肥厂中氨合成塔，。换热容器（E ）：用于完成介质的热量交换的压力容器，例如换热器、蒸发器和加热器。分离压力容器（S ）：完成介质流体压力缓冲和气体净化分离的压力容器，例如分离器、干燥塔、过滤器等；储存压力容器（C ，球罐代号为B ）：用于储存和盛装气体、液体或者液化气等介质，如液氨储罐、液化石油气储罐等。 ○ 2按照压力分外压容器：容器内的压力小于外界的压力，当容器的内压力小于一个绝对大气压时，称之为真空容器。内压容器：容器内的压力大于外界的压力。低压容器（L ）： MPa P MPa 6.11.0<≤；中压容器（M ）：M P a P M P a 1016.0<≤ 高压容器（H ）：M P a P M P a 10010<≤ 超高压容器（U ）：P M P a ≤1

二氧化钒和三氧化二钒研究进展

第２期何山等：二氧化饥和三氧化一钒研究进展能耗大。更重要的足，产物粒度粗，存应用时需长时问磨细。另一种方法是在ｃｏ：气流巾”４１或抽真空控制氧分压为１００ＰａＥ”１在１５００Ｋ或１２７０Ｋ下用几天时间还原ｖｔＯｓ粉体。近年发展丁一些较温和的制备方法。如在惰性气氛中加热２ｍｏｌＶ。Ｏｓ和ｌｔｏｏｌ木炭的混合物…１；通过小心控制Ａｒ气体流速，在６７３Ｋ保温０．５ｈ，接着在７２３Ｋ保温２ｈ，最后在８２３Ｋ保温ｌｈ热解Ｎ｝１４Ｖ０３『ｌ”：在５９０Ｋ的Ｈｊ气流中保温４ｄ还原Ｖ！Ｏ，，接着在５７０Ｋ的Ａｒ气氛中保温３ｄ合成Ｂ相ＶＯ，Ｉ”１。这些方法仪能获得微米级粉体。Ｌａｗｔｏｎ等”“应月ｊＨ：一Ｎｚ混合气流在≥１０００Ｋ喷雾热分解ＶＯＳＯａ稀溶液，首次获得粒释＜１¨ｍ的ＶＯ，粉体。但是该方法装置复杂，为了获得小颗粒粉体，必须使用大功率超声波强化雾化微液滴，同时应用很稀的ＶＯＳＯ。溶液，能量犬部分花费在水分的蒸发上。该方法的优点是能通过热解ＶＯＳＯ一和ＷＯｚＣＩ。或Ｍ００２ＣＩ：的混合液实现ＶＯｚ的化学掺杂。Ｔｓａｎｇｔ２”应用ＫＢＨ。还原ＫｓＶＯｔ溶液，获得Ｂ相亚纳米（＞１００ｎｍ）ＶＯ：粉体。这一?方法随后被改进获得ＶＯ：亚纳米粉体“２Ｉ。该法需用到高毒性且昂贵的ＫＢＨ一，而且操作麻烦。Ｔｏｓｈｉｙｕｋｉ等””首次应用ＶＯＣＩ，气体．以ＣＯｚ激光器为激光源。用激光诱导气相反应法合成纳米（＜１００ｎｍＪｖｏ：粉体。但此法存在实验手段复杂。粉体造价高，难于大嚣制备等缺点。作者以Ｖ，ｏｓ、Ｎ：Ｈ一?２ＨＣＩ、ＨＣＩ和ＮＨａＨＣＯ，为主要原料，合成氧钒㈣碱式碳酸铵（ＮＨ。）ｓ［（ＶＯ）。（ＣＯ。）。（ＯＨ）。］?１０Ｈｚ０”“，并以其为前驱体，在较低温度下制备了粒度＜２斗ｍ的Ｂ相ＶＯ：和正常相（荦斜）ＶＯ：粉体‘２“。在此基础上，对制备方法进行改进，在７２０Ｋ制备粒度＜１０ｎｍ无定形ＶＯ：粉体和在８７０Ｋ制备粒度＜３０ｒｉｍＶ０２粉体１２６１。这一方法的主要特点是合成过程简单，能大量地制备粉体，成本也较低。更为重要的是，能通过控制前驱体热分解时氮气流中的氧分压，制备从ＶＯ”ｅ到ＶＯｚ。，的不同整比性的粉体。文献报道表明，单晶ＶＯ：的整比性对其瓦和电阻率跃变数量级有很大的影响…”Ｉ。众所周知．Ｖ一０体系是一个十分复杂的体系，存在着ＶＯ、Ｖ：０。Ｖ０２、Ｖ２０ｓ、Ｖ。０２。一?（３≤ｎ≤９）和Ｖ。０２。＋，（３≤ｎ≤６）等１３种物相ｔ２Ｓｌ，而ｖ４＋并不是最稳定的价态，由此产生ＶＯ。的整比性问题。由于我们采用的实验路线能够在较低温度下制备粉体，而且获得了纳米级的粉体，故有ｎＪ能控制粉体组成的均匀性和不同的整比性。因此，应用我们获得的粉体制备薄膜或陶瓷，有可能探索整比性对膜材料和土赶材料的影响规律。１．２Ｖ：０，粉体的合成ｖ：０，粉体传统的制备方法是ＪｔｌＨ：在８７０Ｋ还原Ｖ２０５７ｄ”…，或者在７７０Ｋ预还原儿个小时，然后在ｌ１７０Ｋ再还原几个小时Ｉ”?”Ｊ。也有人在密闭的硅管中加热ＶｚＯｓ和金属ｖ粉末的泄合物”“，或者在Ｈ：气流中在１１７０Ｋ还原ＮＨ。Ｖ０３３ｈ”“。值得法息的是。用Ｈ：还原用喷雾热分解得到的Ｖ：０，，可以制得＜１０，ｕ．ｍ的球状或哑铃状的Ｖ：０，粉体”“。在Ｎ：中在９７０Ｋ热分解含肼钒盐可制得１０～４０ｐ．ｍＶ：Ｏ，粉体…１；这一方法反应条件温和，但前驱体较难获得。在２２７０Ｋ下通过０：．Ｈｚ焰融化挥发ＶｚＯ，粉体，然后冷却Ｖ：Ｏ，蒸气并分段收集可获得球形状的微米粉体Ｉ“１。至今唯一获得Ｖ：Ｏ、纳米粉体的方法，仍然是激光诱导ＶＯＣＩ，气相Ｉ｛。还原法１”ｊ。我们应厢上述氧钒∞碱式碳酸铵为前驱体．在Ｉｋ气流中在１０７０Ｋ还原热解３０ｒａｉｎ，获得粒度分布均匀，粒径＜３０ｎｍ的Ｖ２０３粉体，其扫描电镜照片示于图５。这一工作即将发表。２陶瓷的制备由于ＶＯ：膜材料具有优异的光电性能，近４来它成为这类材料的研究热点。相对求说，陶瓷材料的研究较膜材料滞后。但是，陶瓷材料适应于大电流强度应用场合，如马达保护装置，这是膜材料所不能代替的，因此近年来也取得了一些进展。图５ｖｚ０，纳米粉体扫描电镜照片Ｆｉｇ５ＳＥＭｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｏｆＶ？０１ｎａｎｏ—ｐｏ、＊ｄｅｒ２．１ＶＯ：陶瓷ＶＯ。陶瓷研究中首先面临的第一个问题，足陶瓷在热循环过程中电性能的稳定性。ＶＯ：相变时晶

SiO2 薄膜热应力模拟计算

SiO2薄膜热应力模拟计算1 吴靓臻，唐吉玉华南师范大学物电学院，广州（510006） E-mail：tangjy@https://www.wendangku.net/doc/d717776173.html, 摘要：薄膜内应力严重影响薄膜在实际中的应用。本文采用有限元模型对SiO2薄膜热应力进行模拟计算，验证了模型的准确性。同时计算了薄膜热应力的大小和分布，分别分析了不同镀膜温度、不同膜厚和不同基底厚度生长环境下热应力的大小，得到了相应的变化趋势图, 对薄膜现实生长具有一定的指导意义。关键词：热应力，SiO2薄膜，有限元，模拟 0 引言二氧化硅(SiO2)薄膜因其具有优越的电绝缘性，传导特性等各种性能,加之其工艺的可行性，在微电子及光学和其它领域中有着非常广泛的应用[1]。随着光通信及集成光学研究的深入，在光学薄膜中占重要地位的多层介质SiO2光学薄膜，是主要的低折射率材料，对光学技术的发展起着举足轻重的作用[2]。然而，光学薄膜中普遍存在的残余应力是影响光学器件甚至整个集成光学系统性能及可靠性的重要因素。过大的残余应力会导致薄膜产生裂痕、褶皱、脱落等各种破坏，影响薄膜的使用性能[3]。此外，光学薄膜中的残余应力还会引起其基底平面发生弯曲导致其光学仪器发生畸变，从而导致整个光学系统偏离设计指标,甚至完全不能工作。因此有必要对SiO2薄膜残余应力进行深入细致的研究。前人的研究表明：SiO2薄膜中的最终残余应力是淬火应力和热应力共同作用的结果[4] [5] [6]，而热应力是薄膜应力中不可避免的。但是现有的热应力理论计算无法得到直观的热应力分布规律,不利于选择最适合的生长环境；若采用实验测试，成本高且也不现实。本文利用计算机，采用有限元技术,以在BK7玻璃衬底上生长的SiO2薄膜为研究对象,利用有限元软件ANSYS对SiO2薄膜在冷却阶段产生的热应力进行计算与分析, 计算了薄膜热应力的大小和分布，分别分析了不同镀膜温度、不同膜厚和不同基底厚度生长环境下热应力的大小，得到了相应的变化趋势图。这些结果对SiO2薄膜的实际应用和薄膜应力产生机制的探讨都有一定的意义。 1 理论分析薄膜应力的形成是一个复杂的过程。一般来说，薄膜应力起源于薄膜生长过程中的某种结构不完整性（如杂质、空位、晶粒边界、位错等）、表面能态的存在以及薄膜与基体界面间的晶格错配等。在薄膜形成后，外部环境的变化同样也可能使薄膜内应力发生变化，如热退火效应使薄膜中的原子产生重排，结构缺陷得以消除（或部分消除），或产生相变和化学反应等，从而引起应力状态的变化。薄膜内应力可以写成： σ内＝σ热＋σ本征（1）影响热应力的物理参数有热膨胀系数、杨氏模量、泊松比、厚度、温度变化等。目前，薄膜热应力数学模型是基于传统的梁弯曲理论来计算的，假设涂层相对于基体非常薄,而且尺寸无限宽,根据Stoney方程[7]可知薄膜热应力计算公式为： 1本课题得到国家自然科学基金资助项目（项目号：10575039）的资助。

计算题18分图示为某构件内危险点的应力状态图中应力单位为

计算题： 1、（8分）图示为某构件内危险点的应力状态（图中应力单位为MPa ），试分别求其第二、第四强度理论的相当应力2r σ、4r σ（3.0=μ）。 2、.如图直径为d 的圆截面钢杆处于水平面内，AB 垂直与CD ，铅垂作用力P1=2kN ，P2=6kN,。已知d=70mm ，材料的许用应力[σ]=110MPa 。试用第三强度理论校核AB 杆的强度。解：(1)变形分析取AB 杆研究，将P 2进行力的平移到AB 杆上，则杆AC 段扭转同时AB 段弯曲。扭转由M C 、M A 产生，AC 段扭矩： T =M C =M A = P 2×300= 6×300=1800 kN .mm 弯曲由P 1、P 2产生，最大弯矩在A 截面： M max = P 1×600+ P 2×300=2×600+ 6×300=3000 kN .mm (2)强度校核

由内力图可知，A 截面为危险截面 ] [)(18)(30σπσ<=??+?=+=MPa 1043270100010003 2 323z 22r3W T M 故AB 杆满足强度要求。

3.如图所示砂轮轴传递的功率P=1.5kW ，转速n=500r/min ，砂轮直径D=250mm ，砂轮重量Q=275N ，磨削力Fy ：Fz=3：1。砂轮轴材料许用应力[σ]=60MPa 。试用第四强度理论确定砂轮轴直径。解：(1)变形分析取砂轮轴研究，得到力学模型。轴在M e 作用下扭转；在F Az 、F Bz 和F z 作用下，在xz 平面内弯曲；在F Ay 、F By 和F y 作用下，在xy 平面内弯曲。 m N 65.28500 5.195509550 e ?=?==n P M 有M e =F z D/2得到：F z =2×28.65×1000/250=229N F y =3F z =3×229= 687N (2)由内力图确定危险截面 xz 平面内的最大弯矩在A 截面 M xzA = F z ×130=229×130=29770N .mm xy 平面内的最大弯矩在A 截面 M xyA =(F y －Q )×130=(687－275)×130=53560N .mm mm N 612275356029770222 xyA 2xzA Amax ?=+=+=M M M 扭矩T =28650 N .mm 显然，A 截面为危险截面。

薄膜应力

薄膜应力通常薄膜由它所附着的基体支承着,薄膜的结构和性能受到基体材料的重要影响。因此薄膜与基体之间构成相互联系、相互作用的统一体，这种相互作用宏观上以两种力的形式表现出来：其一是表征薄膜与基体接触界面间结合强度的附着力；其二则是反映薄膜单位截面所承受的来自基体约束的作用力—薄膜应力。薄膜应力在作用方向上有张应力和压应力之分。若薄膜具有沿膜面收缩的趋势则基体对薄膜产生张应力，反之,薄膜沿膜面的膨胀趋势造成压应力[1-2]。应该指出,薄膜和基体间附着力的存在是薄膜应力产生的前提条件,薄膜应力的存在对附着力又有重要影响[3]。图1薄膜中压应力与张应力的示意图[4] 1薄膜应力的产生及分类: 薄膜中的应力受多方面因素的影响,其中薄膜沉积工艺、热处理工艺以及材料本身的机械特性是主要影响因素。按照应力的产生根源将薄膜内的应力分为热应力和本征应力,通常所说的残余应力就是这两种应力的综合作用,是一种宏观应力[4]。本征应力又称内应力,是在薄膜沉积生长环境中产生的(如温度、压力、气流速率等),它的成因比较复杂,目前还没有系统的理论对此进行解释,如晶格失配、杂质介入、晶格重构、相变等均会产生内应力[5]。本征应力又可分为界面应力和生长应力。界面应力来源于薄膜与基体在接触界面处的晶格错配或很高的缺陷密度，而生长应力则与薄膜生长过程中各种结构缺陷的运动密切相关。本征应力与薄膜的制备方法及工艺过程密切相关，且随着薄膜和基体材料的不同而不同[6]。热应力是由薄膜与基底之间热膨胀系数的差异引起的。在镀膜的过程中，薄膜和基体的温度都同时升高，而在镀膜后,下降到初始温度时，由于薄膜和基体的热膨胀系数不同，便产生了内应力，一般称之为热应力，这种现象称作双金属效应[7]。但由这种效应引起的热应力不能认为是本质的论断。薄膜热应力指的是在变温的情况下，由于受约束的薄膜的热胀冷缩

薄膜应力课件

第9章压力容器中的薄膜应力本章重点内容及对学生的要求：（1）压力容器的定义、结构与分类；（2）理解回转薄壳相关的几何概念、第一、二主曲率半径、平行圆半径等基本概念。（3）掌握回转壳体薄膜应力的特点及计算公式。第一节压力容器概述 1、容器的结构如图1所示，容器一般是由筒体（壳体）、封头（端盖）、法兰、支座、接管及人孔（手孔）视镜等组成，统称为化工设备通用零部件。图1 容器的结构示意图 2、压力容器的分类压力容器的使用范围广、数量多、工作条件复杂，发生事故的危害性程度各不相同。压力容器的分类也有很多种，一般是按照压力、壁厚、形状或者在生产中的作用等进行分类。本节主要介绍以下几种： ○ 1按照在生产工艺中的作用反应容器（R ）：主要用来完成介质的物理、化学反应，利用制药中的搅拌反应器，化肥厂中氨合成塔，。换热容器（E ）：用于完成介质的热量交换的压力容器，例如换热器、蒸发器和加热器。分离压力容器（S ）：完成介质流体压力缓冲和气体净化分离的压力容器，例如分离器、干燥塔、过滤器等；储存压力容器（C ，球罐代号为B ）：用于储存和盛装气体、液体或者液化气等介质，如液氨储罐、液化石油气储罐等。 ○ 2按照压力分外压容器：容器内的压力小于外界的压力，当容器的内压力小于一个绝对大气压时，称之为真空容器。内压容器：容器内的压力大于外界的压力。低压容器（L ）： MPa P MPa 6.11.0<≤；中压容器（M ）：M P a P M P a 1016.0<≤ 高压容器（H ）：M P a P M P a 10010<≤ 超高压容器（U ）：P M P a ≤10

碳膜制备及应用研究进展_马名杰 - 副本

碳膜制备及应用研究进展马名杰1,张爱芸2 (1.河南理工大学材料科学与工程学院,河南焦作　454003;2.河南理工大学物理化学系,河南焦作　454003) 摘要:碳膜是一类很有发展和应用前景的新型材料,其优良的性能受到了广泛关注.本文评述了国内外近年来掺金属粒子碳膜、类金刚石碳膜、气体分离用碳膜、纳米碳膜等的制备方法及各自应用领域的研究进展,探讨了影响碳膜性能的因素,介绍了碳膜结构和性能的表征方法.作者认为,未来几年内对碳膜的制备研究和应用开发研究还将会进一步深入和发展, 研究应致力于简化碳膜的制备过程、寻求廉价易得的用于碳膜制备的碳源,同时更加关注碳膜的应用开发. 关　键　词:碳膜;制备;表征;类金刚石碳;类石墨碳中图分类号:O 648 文献标识码:A 文章编号:1673-9798(2008)06-0696-05 A d v a n c e s i n p r e p a r a t i o n a n d a p p l i c a t i o n o f c a r b o n f i l m s M AM i n g -j i e 1,Z H A N G A i -y u n 2 (1I n s t i t u t e o f M a t e r i a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ,H e n a n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y ,J i a o z u o 454003,C h i n a ;2.D e p a r t m e n t o f P h s i c a l a n dC h e m i s -t r y ,H e n a nP o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y ,J i a o z u o 454003,C h i n a )A b s t r a c t :C a r b o n f i l m s i s a n e w t y p e m a t e r i a l w h i c h h a s b r i g h t f u t u r e i n t h e d e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o n .I t i s e x c e l l e n t p e r f o r m a n c ea r ew i d e l yc o n c e r n e d .T h ec o m m e n t s o f t h ec a r b o nf i l m s 'p r e p a r a t i o n ,i nr e c e n t y e a r s ,s u c h a s a p p l i c a t i o n o f m e t a l -c o n t a i n i n g c a r b o n f i l m s ,d i a m o n d l i k e c a r b o nf i l m s ,c a r b o n f i l m s f o r g a s s e p a r a t i o n a n d n a n o s t r u c t u r e d c a r b o n f i l m s a r e g i v e n i n t h e p a p e r .T h e i n f l u e n c i n g f a c t o r s a n d t h e c h a r a c -t e r i z a t i o n m e t h o d s o f t h e s t r u c t u r e a n d p e r f o r m a n c e o f c a r b o n f i l m s w e r e s u m m a r i z e d .I n n e x t f e wy e a r s ,t h e c a r b o n f i l m s r e s e a r c h e s a n d a p p l i c a t i o n w i l l b e f u r t h e r d e v e l o p e d ,t h e p r o c e s s e s o f c a r b o n f i l m s 's p r e p a r a t i o n a r e d e v o t e d t o s i m p l i f i e d ,a n d m o r e c h e a p e r c a r b o n s o u r c e i s s e e k e d f o r t h e c a r b o n f i l m s .M e a n w h i l e t h e a p -p l i c a t i o n o f c a r b o n f i l m s s h o u l d b e m o r e f o c u s e d . K e y w o r d s :c a r b o n f i l m s ;f a b r i c a t i o n ;c h a r a c t e r i z a t i o n ;d i a m o n d -l i k e c a r b o n ;g r a p h i t e -l i k e c a r b o n 0　引　言在以碳原子为主形成的无定型薄膜中,碳原子轨道可有s p ,s p 2,s p 3等多种杂化形式,因此碳可以形成多种晶态和非晶态结构 [1].碳膜以其碳原子轨道s p 2和s p 3的比例不同分为2大类,人们把碳键结构以s p 3为主的碳膜称为类金刚石碳(d i a m o n d -l i k e c a r b o n ,D L C )膜[2-3],把碳键结构以s p 2为主的碳膜称为类石墨碳(g r a p h i t e -l i k e c a r b o n ,G L C )膜[4].类金刚石碳膜具有许多优异的物理化学性能,如极高的硬度、化学惰性、低磨擦系数、高阻抗、良好的热传导和优良的光学透过性等,因而可以广泛应用于光学器件、磁记忆器件、高温半导体材料、机械工具和医用矫形体的耐磨保护层等方第27卷第6期2008年12月河南理工大学学报(自然科学版)J O U R N A LO FH E N A NP O L Y T E C H N I CU N I V E R S I T Y (N A T U R A LS C I E N C E ) V o l .27　N o .6D e c .2008 收稿日期:2008-05-07 基金项目:河南省基础与前沿发展项目(072300420190);河南理工大学博士基金(648216) 作者简介:马名杰(1963-),男,黑龙江富锦人,博士,高级工程师,主要从事煤基碳材料研究. E-m a i l :m i n g j i e 8@163.c o m

核电新材料研究进展

核电装备关键管材新材料研究进展程晓农戴起勋李冬升（江苏大学材料科学与工程学院，镇江212013）摘要：简述了世界核电能源的发展状况和核电机组蒸汽发生器传热管应力腐蚀破裂的研究进展。介绍了提高或改善关键管材高温抗氧化性和蠕变强度的研究成果，论述了高温抗氧化性和蠕变强度间匹配、协调的理念及其关键因素。关键词：核电；传热管；不锈钢；蠕变强度；抗氧化性 Show that the development of the world nuclear powder and study progress of 核电机组蒸汽发生器传热管应力腐蚀破裂. Introduce the research result of enhancement of high temperature oxidation antioxidation in high resistance andcreep strength.discuss the factor on the relation of high temperature oxidation antioxidation in high resistance andcreep strength. Describes Briefly the world's nuclear energy development and nuclear power plant steam generator tube stress corrosion cracking of progress. Describes the development of the world's nuclear energy and nuclear power plant steam generator tube stress corrosion cracking of progress. 电力建设是涉及国家经济发展命脉的重大基础项目，核电是一种经济、高效、可靠、清洁的新能源，是实现低碳经济的重要途径之一。对于能源资源有限、能源消费高居世界前列的中国来讲，发展核电是我国能源结构战略调整的必然选择，具有极其重要的战略意义。但目前我国与世界核电平均水平相比，无论是技术还是产业均相差甚远；我国在核电装备方面缺少具有自主知识产权的成果，在主要关键技术上受制于人，用各种新材料的开发和制备技术是其中之一，如核电站蒸汽发生器传热管材基本上依靠进口。因此核电装备关键管材及其相关关键技术的研发十分重要且迫切。 1 国内外核电发展现状自从1954年前苏联和1957年美国建成核电站以来，世界核电已取得了长足发展。据统计，2006年全世界正在运行的核电机组有441个，分布在31个国家或地区，年发电量占世界总发电量的16%。目前，世界核电主要分布在北美、欧洲和东亚，其核电机组数量占全世界总和的74%，装机容量则占79.5%。核电装机容量排名前三位的美国、法国和日本的核电机组之和占全世界的49.4%，装机容量占56.9%。据有关国际组织的统计，由于能源和环境的双重压力，加上世界核电方面的技术进步，2010年前后全球将掀起核电建设的高潮，今后许多国家将大规模建造先进的核电机组，并继续开发先进核能系统。第三代核电技术AP1000落在我国，是历史的必然[1，2]；经过未来几年的健康快速发展，我国核电将从技术跟踪逐步过渡到自主创新。截止到2008年3月，基金项目：江苏省科技成果转化项目“超（超）临界火电机组用关键管材开发及产业化”（BA2007033）作者简介：程晓农(1958—)，男，江苏苏州人，教授，博士生导师(xncheng@https://www.wendangku.net/doc/d717776173.html,)，主要从事金属和无机新材料的开发研究。

热致变色二氧化钒薄膜的研究进展

热致变色二氧化钒薄膜的研究进展* 刘东青,郑文伟,程海峰,刘海韬 (国防科技大学新型陶瓷纤维及其复合材料国防科技重点实验室,长沙410073) 摘要二氧化钒薄膜具有优异的热致变色特性,已成为功能材料领域研究的热点。结合二氧化钒的结构分析了其热致变色特性;综述了二氧化钒薄膜的制备方法,着重评述了溅射法、化学气相沉积法及溶胶-凝胶法等几种常用方法;阐述了二氧化钒薄膜在智能窗、新兴光子晶体、伪装隐身技术方面的应用前景;最后指出了其今后的研究与发展方向。关键词热致变色二氧化钒薄膜伪装隐身中图分类号:T B34;O484 文献标识码:A Research Prog ress on T herm ochromic V anadium Dioxide T hin Film LIU Dongqing,ZH ENG Wenw ei,CHEN G H aifeng,LIU Haitao (K ey L ab of CFC,National U niv ersity of Defense T echnolog y,Changsha 410073) Abstract T he V O 2thin film,w hich has ex cellent thermochr omic pr operties,has been one o f the most interes -ting functional materials.T he thermo chr omic pr operty is analysed combined w it h the cry st al st ructur e of V O 2.T he preparatio n metho ds of V O 2thin film,especially sputt ering,chemical v apo ur deposition and so-l g el metho ds,a re presented.V O 2thin film has g reat pro spects in many fields,and the po tential applicatio ns in smar t w indow ,especially in the new fields:photo n cr ystal,camouflag e and stealthy technolo gy ,ar e view ed.F inally,the futur e st udy and de -velo pment directio ns ar e po inted o ut. Key words ther mochromic,vanadium dio xide,thin f ilm,camouflag e and st ea lth *武器装备预研基金刘东青:男,1986年生,硕士研究生,主要从事功能薄膜与伪装材料方面的研究 E -mail:dong qing_1986@https://www.wendangku.net/doc/d717776173.html, 0 引言二氧化钒(VO 2)是一种过渡金属氧化物,自1959年F.J.M orin [1] 在贝尔实验室发现V O 2具有金属-绝缘体相变(M IT )的性质以来,研究者们就对这种氧化物产生了极大兴趣,在结构特征、相变机理、合成制备及实际应用等方面开展了广泛的研究。 V O 2在T c =341K 时发生由低温绝缘体态向高温金属态快速可逆的一级位移型相变[2,3],相变前后VO 2的晶胞如图1所示(图中还标示出了单斜结构的主要晶面)。当T >T c 时V O 2为四方金红石结构,记为VO 2(R),空间群P 42/m nm (N o.136),晶胞参数a T =b T =455pm,c T =286pm 。当T T c 时V O 2对红外光具有高透射性,T