[发明专利]一种测定薄膜材料屈服行为的装置及其测定方法

说明书

技术领域

本发明属于材料科学技术领域，具体涉及一种测定薄膜材料屈服行为的装置及其测定方法。

背景技术

畴界工程是近年来发展起来的材料科学中的一个新兴领域。畴界工程的出现，是由于在最近的一些研究工作中，科学家们发现对于某些铁性材料来说它们的畴界处可表现出块体所不具备的一些极好的性质，例如WO₃的孪晶界具有超导电性，BiFeO₃、SrTiO₃等材料的畴界处也表现出超高的电导率，而铁弹性的CaTiO₃其畴界处可以表现出铁电性。另外，对于某些材料它们的畴界处还有可能会表现出多铁性，即至少同时具有铁磁性、铁电性和铁弹性中的两种，人们可以利用这些性质制造一些电磁、力磁或电磁力等存在多种作用相耦合的仪器设备，这对于一些功能器件的微型化具有重要意义。

畴界工程材料的制备均需要准确的检测材料的屈服行为，因为只有在屈服后材料才具有最高的畴界密度，才能最大的发挥畴界的功能。相反，在某些设备当中畴界的存在可能不利于其性能的发挥，这也需要我们对材料是否屈服作出判断。单纯的力学测试方法虽然可以检测到薄膜的屈服，但是这些方法通常需要对薄膜进行离线监测，无法在使役条件下检测出薄膜的屈服行为，也不能提供有关畴界密度的信息；另一方面，传统的声发射测试方法需要在待测样品与压电传感器之间使用波导，而波导的存在会对声发射信号的强弱及波形产生影响，不利于后续的分析。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种测定薄膜材料屈服行为的装置及其测定方法，该装置结构简单、紧凑，使用方便，该方法能够直接采集原始的信号，避免了使用波导，从而利于后续分析，且测试工艺简单易行。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种测定薄膜材料屈服行为的装置，包括下基板和沉积于下基板上表面的待测薄膜，在待测薄膜的一侧设有压电传感器，压电传感器由沉积在待测薄膜一侧侧壁上的压电材料层及沉积在压电材料层上表面和下表面的铂电极层组成；所述下基板的长度大于待测薄膜的长度。

还包括沉积在待测薄膜上表面的上基板，且上基板的长度与待测薄膜的长度相等。

所述压电材料层与压电材料层上表面和下表面的铂电极层的厚度总和小于待测薄膜厚度。

所述待测薄膜为铁弹薄膜、铁电薄膜或形状记忆合金薄膜。

一种在线被动检测薄膜材料屈服行为的方法，包括以下步骤：

1)在底部设有基板的待测薄膜的一侧侧壁上沉积金属铂作为一侧电极，然后在该金属铂上沉积压电材料层，最后在压电材料层的上表面沉积另一层金属铂作为另一侧电极，压电材料层和压电材料层上、下表面的金属铂层形成压电传感器，然后通过导线将金属铂层与外接的信号分析装置相连；

其中，基板的长度大于待测薄膜的长度，且压电传感器位于基板长出待测薄膜的一侧；

2)当待测薄膜在使役过程中受到环境外力作用时，压电传感器检测待测薄膜内部形成畴结构时所产生的声发射信号，根据该声发射信号判断得到待测薄膜的屈服点。

所述待测薄膜为铁弹薄膜、铁电薄膜或形状记忆合金薄膜。

一种主动力学加载下检测薄膜材料屈服行为的方法，包括以下步骤：

1)将待测薄膜沉积在一层基板上，再在待测薄膜上表面沉积一层基板，待测薄膜上表面的上层基板的长度与待测薄膜的长度相等，待测薄膜下表面的下层基板的长度大于待测薄膜的长度；

2)在待测薄膜的一侧侧壁上沉积金属铂作为一侧电极，然后在该金属铂上沉积压电材料层，最后在压电材料层的上表面沉积一另层金属铂作为另一侧电极，压电材料层和压电材料层上、下表面的金属铂层形成压电传感器，然后通过导线将金属铂层与外接的信号分析装置相连；

其中，压电传感器位于下层基板长出待测薄膜的一侧；

3)通过基板对待测薄膜进行主动力学加载，当载荷超过待测薄膜的屈服强度时，待测薄膜发生屈服形成畴结构，压电传感器则检测待测薄膜内部形成畴结构时所产生的声发射信号，根据该声发射信号判断得到待测薄膜的屈服点、屈服具体过程及在待测薄膜中产生畴界密度的高低；

4)继续对待测薄膜进行主动力学加载，待测薄膜发生去畴界行为，压电传感器检测到此时待测薄膜产生的声发射信号，根据该声发射信号强弱判断畴界运动方式。

所述主动力学加载方式包括通过基板对待测薄膜加载的剪切力、通过基板对待测薄膜加载的沿垂直方向的压缩力或通过上层基板对待测薄膜加载的沿水平方向的拉伸力。