[发明专利]一种应用形状记忆合金赋予薄膜大弹性应变的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用形状记忆合金赋予薄膜大弹性应变的方法，属于形状记忆合金材料应用技术领域。

背景技术

弹性应变工程是指对材料施加外加拉应力或者压应力，通过改变原子间距而调节材料的电学、光学、磁学、催化等物理和化学特性，进而优化材料性能。如在半导体领域通过晶格错配可以使硅中载流子迁移率提高50％，Pt-Cu二元合金纳米粒子由于晶格错配产生的应变可以提高其催化活性，TiO₂材料通过其它元素掺杂提供内应力等提高催化活性，弹性应变工程在实际的生产生活中有着非常重要的实用价值。

通常人们采用晶格错配或者掺杂等方法施加弹性应变，但这些方法大多制备困难，成本高昂，变形量比较小且难于控制。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种实现薄膜大弹性应变的方法，其是利用形状记忆合金来实现薄膜的大弹性应变的方法，为薄膜材料的功能特性改进提供了一种新方法。

为达到上述目的，本发明提供了一种应用形状记忆合金赋予薄膜大弹性应变的方法，其包括以下步骤：

在形状记忆合金衬底的表面使用脉冲激光沉积法(PLD)进行沉积得到薄膜，然后对形状记忆合金衬底进行拉伸，通过衬底的拉伸变形带动薄膜拉应变的实现；或者，在经过预拉伸处理的形状记忆合金衬底的表面进行沉积得到薄膜，然后加热并保温一定时间，使所述经过预拉伸处理的形状记忆合金衬底发生相变收缩，通过衬底的收缩变形带动薄膜压应变的实现。

在上述方法中，优选地，所采用的形状记忆合金为TiNi形状记忆合金。

在上述方法中，优选地，所采用的形状记忆合金是通过以下步骤制备的：

按照50.2∶49.8的原子比选取纯度在99.9wt.％以上的单质钛、单质镍；

将单质钛和单质镍放入真空度高于10^-1Pa或惰性气体保护的熔炼炉中，熔炼成TiNi形状记忆合金，得到铸锭；

在真空度高于10^-1Pa的真空中或惰性气体保护中在800-1050℃对铸锭进行均匀化退火5-60h；

将退火后的铸锭进行冷轧和950℃再结晶退火，得到厚度为0.5mm的板材；

将板材进一步线切割和机械抛光得到所述形状记忆合金衬底；

在形状记忆合金衬底的表面进行沉积得到薄膜，然后进行变形量为6-12％的拉伸处理，实现薄膜的拉应变；

形状记忆合金衬底的预拉伸处理是指在300-500℃对所述形状记忆合金衬底进行10-30分钟的退火处理，然后在室温条件下进行预拉伸，预拉伸变形量为6-15％，得到经过预拉伸处理的形状记忆合金；

将沉积了薄膜的经过预拉伸处理的形状记忆合金衬底加热至80-150℃并保温10-30分钟，再恢复至室温，使所述经过预拉伸处理的形状记忆合金衬底发生相变收缩(收缩变形量即预拉伸变形量)，实现薄膜的压应变。

在上述方法中，优选地，所述薄膜为ZnO、TiO₂、CuO、Cu₂O或Co₃O₄薄膜等。

在上述方法中，优选地，上述沉积包括以下步骤：

将薄膜的陶瓷靶放入脉冲激光沉积装置的生长室中，保持陶瓷靶与衬底的距离为4.5cm；将生长室真空度抽至10^-3Pa以下，保持衬底在室温或者将衬底加热升温到100-500℃，生长室内通入O₂气体，控制生长室内的压强为0.001-100Pa；开启激光器，使激光束聚焦到陶瓷靶的靶面烧蚀靶材，在形状记忆合金衬底或者经过预拉伸处理的形状记忆合金衬底的表面沉积得到薄膜，激光能量为340mJ，频率为5Hz。

在上述方法中，优选地，薄膜的拉应变是通过以下步骤实现的：对沉积了薄膜的形状记忆合金沉底进行变形量为10％的拉伸处理，实现薄膜的拉应变；薄膜的压应变是通过以下步骤实现的：在经过预拉伸处理的形状记忆合金衬底的表面进行沉积得到薄膜，然后加热至100℃并保温20分钟，再恢复至室温，使所述经过预拉伸处理的形状记忆合金衬底发生相变收缩，实现薄膜的压应变。