專利名稱：一種銅膜的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及金屬材料薄膜的制備技術，特別提供了一種銅膜的制備方法。
所謂“膜”是指對三維空間來講其中一維是很小的，這一維指的是膜的厚度，通常認為1μm以下厚度的膜為薄膜，1μm以上者為厚膜，但這里沒有明顯的界限。制備金屬膜的方法有許多種，早在18世紀中業(yè)，人們便可通過化學沉積和輝光放電沉積制備固體膜。近年來，又相繼發(fā)展了真空蒸發(fā)沉積、熱噴涂、濺射沉積等等制備技術，機械加工中，也常用軋制的方法來減小產品厚度方向的尺寸，該方法在塑性加工領域已被廣泛應用。軋制工藝同許多因素有關如變形速度、變形程度、溫度參數等等，軋制按金屬在軋制時是否立即產生軟化(回復和再結晶)分為熱軋和冷軋，一般把金屬在再結晶溫度(0.4Tm,Tm為熔點)以上的軋制稱為熱軋，而冷軋是指材料不經加熱直接在室溫下進行。一般用經過熱軋成型的專供冷軋用的坯料或熱軋材料作為原料，去氧化皮后在冷軋機上進行軋制。由于冷軋時金屬中因位錯的運動和塞積而產生不同程度的加工硬化效應，從而限制了材料的變形能力。這種加工硬化效應必須通過適當熱處理消除后才可進行進一步加工變形。因此，反復的冷、熱加工處理已成為絕大多數金屬材料加工變形的傳統(tǒng)工藝。冷軋材料雖具有表面質量好，機械強度高等特點，但冷軋時道次間變形量小，退火工藝繁瑣，經濟費用大等缺點也常使之受到限制。另外，被扎材料最終厚度也比較厚(普通四輥冷軋機的可軋最小厚度為0.25mm。
本發(fā)明的目的在于提供一種銅膜的制備方法，其制備出的銅膜表面質量好，可以達到很薄的厚度，并且工藝簡單，使用普通的軋制設備即可實現。
本發(fā)明提供了一種銅膜的制備方法，其特征在于以晶粒尺寸小于100nm的納米金屬Cu為原材料，純度高于99.995wt％，密度為8.91±0.03g/cm3，在室溫冷軋，變形速率1×10-5～1×101/s。
本發(fā)明通過對納米金屬Cu材料進行室溫下軋制變形，軋制過程中無需任何退火及其它消除應力處理過程，獲得大變形量高延伸率的Cu膜材料，而且在軋制過程中Cu膜的晶粒尺寸保持不變，材料中也沒有明顯的加工硬化效應。將納米材料的優(yōu)異性能與材料加程相結合，利用納米金屬材料獨特的結構，首次用室溫軋制的方法無需退火消除應力，而得到20μm左右的Cu膜。納米金屬Cu的室溫軋制可獲Cu膜意味著金屬材料納米化后加工工藝過程可大大簡化，這將對材料的精細加工、電子器件和微型機械的制造等具有重要的價值，同時，也是對材料傳統(tǒng)變形機制的一個挑戰(zhàn)。下面通過實施例詳述本發(fā)明。
附

圖1室溫條件下不同變形量的軋制態(tài)納米晶Cu樣品的宏觀照片。
附圖2電解沉積納米Cu樣品的微觀應變(空圓圈)及平均晶粒尺寸(空方塊)和退火態(tài)粗Cu樣品的微觀應變(實圓圈)隨冷軋變形量的變化趨勢。
附圖3高分辨電鏡觀察軋制后cu膜的微觀結構。
附圖4電解沉積納米Cu樣品、退火態(tài)粗Cu樣品及普通粗Cu樣品的微觀硬度隨冷軋變形量的變化趨勢。
實施例1將16mm×4mm×1mm的一段晶粒尺寸為30nm的納米Cu樣品在室溫條件下冷軋，發(fā)現樣品沿軋制方向長度不斷增加，厚度方向尺寸不斷減小，而樣品寬度方向幾乎不變(＜5％)。經不斷軋制，樣品越來越長，最后納米晶Cu樣品變成一條表面光滑四周無任何裂紋的薄膜條帶，此時總變形量約為5100％，如圖1所示。軋制結束時Cu膜樣品厚度約為20μm(此為本軋機的極限厚度)，進一步軋制仍可進行。
實施例2定量X-射線測量結果表明，在冷軋過程中納米晶Cu樣品的晶粒尺寸始終在30nm左右，而材料中的微觀應變在初始階段(ε＜1000％)大大升高，這主要反應了樣品中位錯密度的變化。而當ε≥1000％時，其微觀應變達到一飽和值約為0.16％(見圖2)。而在退火態(tài)粗Cu樣品中，微觀應變的變化形式卻與納米晶Cu的微觀應變變化規(guī)律截然不同(如圖2所示)。
實施例3高分辨電子顯微鏡觀察冷軋后納米Cu樣品的微觀結構發(fā)現，在軋制過程中，納米晶Cu樣品中的晶粒大小幾乎未發(fā)生變化，晶粒形狀仍然為等軸晶。但是在軋制態(tài)納米晶Cu樣品中，位錯密度(主要集中于晶界處)明顯增加，晶粒與晶粒之間的取向差也明顯增加了，統(tǒng)計結果表明，充分軋制后納米晶Cu樣品中晶粒之間的取向差大約為6～18°，這要明顯高于電解沉積態(tài)納米晶Cu樣品中的晶粒取向差(1～10°)。如圖3所示。
實施例4微觀硬度實驗結果表明在冷軋過程中，電解沉積納米Cu樣品的硬度在初始階段從1.05GPa(沉積態(tài))增加到1.20GPa(ε=800％)，如圖4所示。繼續(xù)冷軋，納米Cu樣品中則無加工硬化效應1ε＞800％)。
實施例5用晶粒尺寸為70 nm的納米Cu樣品在室溫條件下冷軋，同樣發(fā)現該樣品可在室溫下冷軋成厚度約為20μmCu膜。
比較例1在同樣的條件下冷軋普通粗晶純Cu樣品發(fā)現，當變形量大約為800％時，已有明顯的裂紋產生。
比較例2將30nm的納米晶Cu樣品在500℃真空條件下退火48小時，使其晶粒充分長大(晶粒尺寸大于100μm)。在相同的條件下冷軋退火態(tài)Cu樣品，同樣發(fā)現當變形量約為700％時，樣品四周已有明顯裂紋產生。通過以上實驗對比可以排除純度對樣品室溫塑性的影響。
比較例3在同樣的冷軋條件下，冷軋態(tài)普通粗Cu樣品中則存在著明顯的加工硬化效應從圖4可以看出，普通粗Cu樣品的硬度從原始態(tài)的0.61GPa增加到1.57GPa(ε=800％，裂紋產生)；退火態(tài)Cu樣品的硬度從0.51 GPa(退火態(tài))增加到1.45GPa(ε=650％，裂紋產生)。這種粗晶Cu樣品和納米晶Cu樣品中硬度變化的不同趨勢說明了二者之間不同的變形機理。
權利要求
1.一種銅膜的制備方法，其特征在于以晶粒尺寸小于100nm的納米金屬Cu為原材料，純度高于99.995wt％，密度為8.91±0.03g/cm3，在室溫冷軋，變形速率1×10-5～1×101/s。
全文摘要
一種銅膜的制備方法，其特征在于以晶粒尺寸小于100nm的納米金屬Cu為原材料，純度高于99.995wt%，密度為8.91±0.03g/cm
文檔編號B21B1/40GK1316304SQ00110288
公開日2001年10月10日 申請日期2000年4月5日 優(yōu)先權日2000年4月5日
發(fā)明者盧磊, 斯曉, 陶乃鎔, 隋曼齡, 盧柯 申請人:中國科學院金屬研究所