CN101696481B - 用于微驱动元件的超高恢复应力Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
用于微驱动元件的超高恢复应力Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜的制备方法，它属于形状记忆合金薄膜领域。本发明解决了现有Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜不能满足微驱动元件的超高单位体积输出功的问题。Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜由Ti、Cu和Ni组成。本发明方法如下：洗净玻璃，抽真空，通氩气，以镍、钛、铜作为阴极采用磁控共溅射法进行沉积，再真空热处理后随炉冷却；即得到Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜。本发明方法制备合金薄膜的晶粒尺寸为50～500nm，厚度为3～10μm，Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜具有超高恢复应力(高于1GPa)、快响应速度的优点；可满足微驱动元件的小尺寸、超高驱动力的要求。
Description
技术领域
本发明属于形状记忆合金薄膜领域；具体涉及一种超高恢复应力Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜的制备方法。本发明方法制备的Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜具有超高恢复应力及快响应速度。
背景技术
Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜被认为是目前微机械领域中较有发展前景的一种大应力、应变和高单位功密度的微驱动器材料。
Ti-Ni-Cu合金薄膜通过控制成分可以实现较小的相变温度滞后(最小仅4度)，极大地提高了薄膜的响应速度，且其输出应力较大，展现出良好的应用前景。但当Cu含量超过10at.％(原子百分含量)后，采用普通的甩带法制备Ti-Ni-Cu合金薄膜变得非常困难，且薄膜的成分和机械性能难于控制。同时，对于Ti含量为50at.％左右的Ti-Ni-Cu合金薄膜而言，经现有工艺处理后其组织为单相，所能提供的输出应力仅略高于Ti-Ni二元合金薄膜，不能满足微驱动元件的超高单位体积输出功的要求。
现有Ti-Ni-Cu合金薄膜要具有高强度，其膜尺寸就大，而且目前Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜的输出应力最高在500MPa左右，不能满足微驱动元件的小尺寸、超高恢复应力(高于1GPa)的要求。
发明内容
本发明解决了现有Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜不能满足微驱动元件的超高单位体积输出功的问题；而提供用于微驱动元件的超高恢复应力Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜的制备方法。
本发明中超高恢复应力Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜按原子百分含量由50.5％～66.6％Ti、15％～40％Cu和余量的Ni组成。
本发明中用于微驱动元件的超高恢复应力Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜的制备方法，其特征在于Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜的制备方法是按下述步骤进行的：以玻璃作为衬底，将玻璃洗净后放入磁控溅射仪的真空室中，抽真空至真空室中的真空度为3×10-5Pa；然后通入氩气使氩气分压达到0.01～0.3Pa，以镍、钛、铜作为阴极采用磁控共溅射法进行沉积1～3h，其中沉积过程中，靶阴极镍的溅射功率为150～300W，靶阴极钛的溅射功率为1000W，靶阴极铜的溅射功率为20～50W，衬底温度为200℃；揭膜后放入真空热处理炉内，在热处理温度为450～700℃、真空度为2.7×10-5Pa条件下进行真空热处理1min～100h，真空条件下冷却至室温；即得超高恢复应力Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜；所述薄膜晶粒尺寸为50～500nm。
本发明利用多靶磁控溅射和真空热处理技术，制备Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜(其成分范围：Ti含量50.5～66.6at.％，Cu含量15～40at.％，其他为Ni)，减小了相变温度滞后，通过热处理工艺调节薄膜的晶粒尺寸以及其中的时效析出相类型、尺寸和分布等显微组织结构，晶粒尺寸为50～500nm，厚度为3～10μm，本发明的Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜具有超高恢复应力(高于1GPa)、快响应速度的优点，可满足微驱动元件的小尺寸、超高驱动力的要求。
附图说明
图1是Cu含量和热处理温度对恢复应力的影响图；图2是Ti51.5Ni48.5形状记忆合金的温度-应变曲线图；图3是Ti54.2Ni18.2Cu27.6(at.％)形状记忆合金的温度-应变曲线图；图4是Ti51.3Ni21.1Cu27.6形状记忆合金经500℃/1小时真空热处理后的显微组织结构图；图5是Ti51.2Ni15.7Cu33.1形状记忆合金经500℃/1小时真空热处理后的显微组织结构图；图6是经500℃/1小时真空热处理后Ti51.5Ni33.1CU15.4、Ti51.4Ni15.2Cu23.4、Ti51.3Ni21.1Cu27.6和Ti51.2Ni15.7Cu33.1形状记忆合金薄膜室温X-射线衍射谱图；图7是Ti51.4Ni33.2Cu15.4薄膜组织图：图8是Ti51.4Ni33.2Cu15.4形状记忆合金薄膜拉伸性能曲线图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式的超高恢复应力Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜按原子百分含量由50.5％～66.6％Ti、15％～40％Cu和余量的Ni组成。
本发明所述的Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜减小了相变温度滞后，晶粒尺寸为50～500nm，厚度为3～101μm，具有超高恢复应力(高于1GPa)、快响应速度的优点，可满足微驱动元件的小尺寸、超高驱动力的要求。
具体实施方式二：本实施方式中Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜的制备方法，其特征在于Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜的制备方法是按下述步骤进行的：以玻璃作为衬底，将玻璃洗净后放入磁控溅射仪的真空室中，抽真空至真空室中的真空度为3×10-5Pa；然后通入氩气使氩气分压达到0.01～0.3Pa，以镍、钛、铜作为阴极采用磁控共溅射法进行沉积1～3h，其中沉积过程中，靶阴极镍的溅射功率为150～300W，靶阴极钛的溅射功率为1000W，靶阴极铜的溅射功率为20～50W，衬底温度为200℃；揭膜后放入真空热处理炉内，在热处理温度为450～700℃、真空度为2.7×10-5Pa条件下进行真空热处理1min～100h，真空条件下冷却至室温；即得超高恢复应力Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜。
本实施方式制得的Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜中，Ti元素的原子百分含量为50.5～66.6％，Cu元素的原子百分含量为15～40at.％，余量为为Ni元素；晶粒尺寸为50～500nm，厚度为3～10μm。
表1不同薄膜成分的Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜的恢复应力及晶粒尺寸表
表1所为多靶磁控溅射制备Ti-Ni-Cu合金薄膜的制备工艺参数，以及最终的薄膜成分及所获得薄膜真空热处理工艺与恢复应力之间的关系。研究表明，溅射沉积所得薄膜为非晶态，其结晶温度为450℃，当后续真空热处理温度低于450℃，不能得到晶态的Ti-Ni-Cu合金薄膜。当后续真空热处理温度高于450℃，则需要控制结晶温度或者时间，来调节Ti-Ni-Cu合金薄膜的晶粒尺寸。当热处理温度高于700℃，薄膜的性能将会剧烈下降，需要避免。
图1所示为Cu含量以及真空热处理温度对薄膜的恢复应力的影响。由图1可知表1所示的各种成分的Ti-Ni-Cu合金薄膜均可获得1GPa以上的形状恢复应力。从图1中还可看出，Ti含量的升高也有利于Ti-Ni-Cu的形状恢复应力的升高，但其效果没有Cu含量升高所带来的效果显著。
图2和图3所示分别为Ti51.5Ni48.5(at.％)和Ti54.2Ni18.2Cu27.6(at.％)合金薄膜的温度-应变曲线。Ti51.5Ni48.5二元合金薄膜在外加载荷为240MPa时，可呈现完全的形状记忆效应；但当外加载荷为480MPa时，则呈现出明显的残余塑性变形，表明此时外加载荷已经高于薄膜的恢复应力(输出应变)。Ti54.2Ni18.2Cu27.6合金薄膜则在外加载荷为240-1160Gpa时，均完全恢复，不呈现明显的残余应变。这表明Ti54.2Ni18.2Cu27.6合金薄膜的输出应变超过1GPa。且其升温和降温曲线之间的间隔表明该Ti-Ni-Cu合金薄膜的相变温度滞后较小。
图4和图5所示分别为Ti51.3Ni21.1CU27.6和Ti51.2Ni15.7Cu33.1合金薄膜经500℃/1小时真空热处理后的显微组织结构。图6所示为四种合金薄膜的X-射线衍射谱。这些表明，Ti-Ni-Cu合金薄膜在真空热处理过程中析出Ti2Cu或者TiCu相。对比其最大可恢复应力，当薄膜的晶粒尺寸小于500nm时，薄膜呈现1GPa以上的恢复应力；但薄膜的晶粒尺寸超过500nm时，薄膜的恢复应力不呈现特别显著的增加。
与现有的Ti-Ni二元合金相比，本发明方法制备的的Ti-Ni-Cu合金薄膜，其形状恢复应力(输出应力)可达1GPa以上，且同时具有较窄的相变温度滞后。采用本专利方法使得Ti-Ni-Cu合金薄膜(其成分范围：Ti含量50.5-66.6at.％，Cu含量27-40at.％，其他为Ni)具有超高的输出应力和较快的响应速度。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：所述磁控溅射仪为超高真空多靶磁控溅射仪。其它步骤和参数与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二或三不同的是：所述真空热处理温度为500℃。其它步骤和参数与具体实施方式二或三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二或三不同的是：所述真空热处理温度为600℃。其它步骤和参数与具体实施方式二或三相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二至五不同的是：所述真空热处理时间为30min～50h。其它步骤和参数与具体实施方式二至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式二至五不同的是：所述真空热处理时间为1h。其它步骤和参数与具体实施方式二至五相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式二至七不同的是：所述真空热处理是采用红外线进行加热的。其它步骤和参数与具体实施方式二至七相同。
具体实施方式九：本实施方式中Ti51.4Ni33.2Cu15.4形状记忆合金薄膜的制备方法，其特征在于Ti51.4Ni33.2CU15.4形状记忆合金薄膜的制备方法是按下述步骤进行的：以玻璃作为衬底，将玻璃洗净后放入磁控溅射仪的真空室中，抽真空至真空室中的真空度为3×10-5Pa；然后通入氩气使氩气分压达到0.13Pa，以镍、钛、铜作为阴极采用磁控共溅射法进行沉积2.5h，其中沉积过程中，靶阴极镍的溅射功率均为202W，靶阴极钛的溅射功率为1000W，靶阴极钛的溅射功率为26W，衬底温度为200℃；揭膜后放入真空热处理炉内，采用红外线加热，在热处理为600℃、真空度为2.7×10-5Pa条件下进行真空热处理1h，真空条件下冷却至室温；即得Ti51.4Ni33.2Cu15.4形状记忆合金薄膜。
本发明制备的Ti51.4Ni33.2Cu15.4形状记忆合金薄膜厚度为7.7μm；其组织如图9，其拉伸性能如图10所示，由图9可以看出在晶粒内部有细小弥散的Ti2Cu析出相，由图11可以看出薄膜在外加载荷超过1GPa后卸载，然后加热可以完全恢复，无应变残余。
Claims (7)
1.用于微驱动元件的超高恢复应力Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜的制备方法，超高恢复应力Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜按原子百分含量由50.5％～66.6％Ti、15％～40％Cu和余量的Ni组成，其特征在于超高恢复应力Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜的制备方法是按下述步骤进行的：以玻璃作为衬底，将玻璃洗净后放入磁控溅射仪的真空室中，抽真空至真空室中的真空度为3×10-5Pa；然后通入氩气使氩气分压达到0.01～0.3Pa，以镍、钛、铜作为阴极采用磁控共溅射法进行沉积1～3h，其中沉积过程中，靶阴极镍的溅射功率为150～300W，靶阴极钛的溅射功率为1000W，靶阴极铜的溅射功率为20～50W，衬底温度为200℃；揭膜后放入真空热处理炉内，在热处理温度为450～700℃、真空度为2.7×10-5Pa条件下进行真空热处理1min～100h，真空条件下冷却至室温；即得超高恢复应力Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜；所述薄膜晶粒尺寸为50～500nm，厚度为3～10μm，超高恢复应力高于1GPa。
2.根据权利要求1所述的用于微驱动元件的超高恢复应力Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜的制备方法，其特征在于所述磁控溅射仪为超高真空多靶磁控溅射仪。
3.根据权利要求1或2所述的超用于微驱动元件的高恢复应力Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜的制备方法，其特征在于所述真空热处理温度为500℃。
4.根据权利要求1或2所述的用于微驱动元件的超高恢复应力Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜的制备方法，其特征在于所述真空热处理温度为600℃。
5.根据权利要求3所述的用于微驱动元件的超高恢复应力Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜的制备方法，其特征在于所述真空热处理时间为30min～50h。
6.根据权利要求3所述的用于微驱动元件的超高恢复应力Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜的制备方法，其特征在于所述真空热处理时间为1h。
7.根据权利要求1、2、5或6所述的用于微驱动元件的超高恢复应力Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜的制备方法，其特征在于所述真空热处理是采用红外线进行加热。
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