非晶合金微纳结构设计和在柔性电子学中的应用

发布时间：2020-07-19 02:57

【摘要】：柔性电子学因在智能机器人,仿生假肢、医疗监测、电子织物等方面有很大应用潜力,近年来得到蓬勃发展。通过急速冷却方法得到的非晶合金保留了合金优良的导电性,同时长程无序的原子结构赋予了它优异的力学、热学性能。本论文将这两个新兴领域结合在一起,试图开发非晶合金柔性应变敏感材料,并探索非晶合金材料在柔性电子学中的应用,主要内容如下:通过在柔性衬底上生长Zr_(55)Cu_(30)Ni_5Al_(10)非晶合金薄膜的方法得到非晶合金皮肤。对其进行压阻测试结果表明,非晶合金皮肤表现出高的灵敏度、大的弹性极限和优异的导电性。与其他电子皮肤的应变敏感材料相比,非晶合金皮肤拥有极低的电阻温度系数、明显的抗菌行为、好的重复性、电阻应变之间有完美线性,以及低成本、低能耗等优点,这些都是电子皮肤实际应用的必备条件。非晶合金可作为电子皮肤的应变敏感材料。为了贴合人体的运动,提高非晶合金的可拉伸性,通过在预拉伸的柔性衬底上生长非晶合金薄膜的方法,我们得到了超弹性非晶合金微纳结构。这些结构的形貌和尺度可以精确调控,且可以拉伸至100%,拉伸过程中表面物理性能会随之变化。这种方法不受玻璃形成能力限制,适用于多种成分的非晶合金。基于超弹性非晶合金微纳结构,我们设计制作了柔性、可拉伸性非晶合金电极。预拉伸得到的褶皱结构可以极大地提高非晶合金的可拉伸性。通过沉积多一层非晶合金薄膜的方法可以有效地“修复”单轴收缩衬底形成的裂纹,得到的单轴非晶合金电极有高的透光性,而双轴褶皱的非晶合金电极拥有更好的导电性。与其它电极相比,非晶合金表现出更好的耐腐蚀性,可更好地应用于极端环境中。此外,非晶合金电极结构简单,成本低,可大面积制作,使其在柔性电子学方面更具竞争力。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG139.8;TH165
【图文】：

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图 1.1 AuSi 非晶合金的 X 射线衍射图[3]Fig.1.1 X-ray diffraction pattern of AuSi metallic glass.此后，人们不断开发、改进非晶合金的制造工艺，得到非晶合金的尺寸来越大，如图 2.2 所示。1974 年，华裔科学家陈鹤寿等人通过吸铸法得到在毫米级的Pd基非晶合金[4]，正式拉开了块体金属合金（Bulk Metallic Gla序幕。然而，此时的块体非晶合金仍以 Pd 基为主[5,6]，昂贵的金属 Pd 极大制了非晶合金的应用。直到上世纪 90 年代，日本东北大学 A.Inoue 教授采冷同模的方法相继得到了La、Mg、Zr基等尺寸可达毫米级的块体非晶合金[7-接着，美国的 W. L. Johnson 和 Peter 开发了迄今为止玻璃形成能力最好TiCuNiBe 非晶合金体系[10]，该体系非晶合金有极好的玻璃形成能力，在冷率小于 1K/s 时亦能形成非晶合金。历经科学家们四十余年的努力，非晶合尺寸增加了 3 个数量级，也为非晶合金的应用奠定了坚实的基础。

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图 1.2 人类得到非晶合金的尺寸随时间的变化[11]。Fig.1.2 Over 40 years, the critical casting thickness has increased by more than three ordeof magnitude.2非晶合金性能和应用非晶合金无序的原子结构使其拥有常规晶态合金不具备的特殊性能。首学方面。非晶合金不存在晶界、位错等缺陷，因而表现出远高于晶态合他材料的断裂强度和弹性极限，如图 1.3 所示。其中，Co 基非晶合金断有 6GPa[12]，是现有金属材料之最。Fe 基非晶合金也有 4.3Gpa,而常规结断裂强度只有 600MPa[13]。非晶合金的弹性极限可达 2%，是常规晶态合倍甚至数十倍。高强度和大弹性极限使非晶合金拥有出色的储弹性能力这些优异的力学性质，非晶合金在军事、体育、日常生活中都有所应用 1.4：相较于普通球杆，用非晶合金制作的高尔夫球击球头和棒球杆可以

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图 1. 3 非晶合金拥有比晶态合金更高的强度，同时拥有能与聚合物比拟的弹性极限Fig.1.3 Amorphous metallic alloys combine higher strength than crystalline metal alloys wlasticity of polymers.

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