专利名称：一种铜膜的制备方法
技术领域：
本发明涉及金属材料薄膜的制备技术，特别提供了一种铜膜的制备方法。
所谓“膜”是指对三维空间来讲其中一维是很小的，这一维指的是膜的厚度，通常认为1μm以下厚度的膜为薄膜，1μm以上者为厚膜，但这里没有明显的界限。制备金属膜的方法有许多种，早在18世纪中业，人们便可通过化学沉积和辉光放电沉积制备固体膜。近年来，又相继发展了真空蒸发沉积、热喷涂、溅射沉积等等制备技术，机械加工中，也常用轧制的方法来减小产品厚度方向的尺寸，该方法在塑性加工领域已被广泛应用。轧制工艺同许多因素有关如变形速度、变形程度、温度参数等等，轧制按金属在轧制时是否立即产生软化(回复和再结晶)分为热轧和冷轧，一般把金属在再结晶温度(0.4Tm,Tm为熔点)以上的轧制称为热轧，而冷轧是指材料不经加热直接在室温下进行。一般用经过热轧成型的专供冷轧用的坯料或热轧材料作为原料，去氧化皮后在冷轧机上进行轧制。由于冷轧时金属中因位错的运动和塞积而产生不同程度的加工硬化效应，从而限制了材料的变形能力。这种加工硬化效应必须通过适当热处理消除后才可进行进一步加工变形。因此，反复的冷、热加工处理已成为绝大多数金属材料加工变形的传统工艺。冷轧材料虽具有表面质量好，机械强度高等特点，但冷轧时道次间变形量小，退火工艺繁琐，经济费用大等缺点也常使之受到限制。另外，被扎材料最终厚度也比较厚(普通四辊冷轧机的可轧最小厚度为0.25mm。
本发明的目的在于提供一种铜膜的制备方法，其制备出的铜膜表面质量好，可以达到很薄的厚度，并且工艺简单，使用普通的轧制设备即可实现。
本发明提供了一种铜膜的制备方法，其特征在于以晶粒尺寸小于100nm的纳米金属Cu为原材料，纯度高于99.995wt％，密度为8.91±0.03g/cm3，在室温冷轧，变形速率1×10-5～1×101/s。
本发明通过对纳米金属Cu材料进行室温下轧制变形，轧制过程中无需任何退火及其它消除应力处理过程，获得大变形量高延伸率的Cu膜材料，而且在轧制过程中Cu膜的晶粒尺寸保持不变，材料中也没有明显的加工硬化效应。将纳米材料的优异性能与材料加程相结合，利用纳米金属材料独特的结构，首次用室温轧制的方法无需退火消除应力，而得到20μm左右的Cu膜。纳米金属Cu的室温轧制可获Cu膜意味着金属材料纳米化后加工工艺过程可大大简化，这将对材料的精细加工、电子器件和微型机械的制造等具有重要的价值，同时，也是对材料传统变形机制的一个挑战。下面通过实施例详述本发明。
附
图1室温条件下不同变形量的轧制态纳米晶Cu样品的宏观照片。
附图2电解沉积纳米Cu样品的微观应变(空圆圈)及平均晶粒尺寸(空方块)和退火态粗Cu样品的微观应变(实圆圈)随冷轧变形量的变化趋势。
附图3高分辨电镜观察轧制后cu膜的微观结构。
附图4电解沉积纳米Cu样品、退火态粗Cu样品及普通粗Cu样品的微观硬度随冷轧变形量的变化趋势。
实施例1将16mm×4mm×1mm的一段晶粒尺寸为30nm的纳米Cu样品在室温条件下冷轧，发现样品沿轧制方向长度不断增加，厚度方向尺寸不断减小，而样品宽度方向几乎不变(＜5％)。经不断轧制，样品越来越长，最后纳米晶Cu样品变成一条表面光滑四周无任何裂纹的薄膜条带，此时总变形量约为5100％，如图1所示。轧制结束时Cu膜样品厚度约为20μm(此为本轧机的极限厚度)，进一步轧制仍可进行。
实施例2定量X-射线测量结果表明，在冷轧过程中纳米晶Cu样品的晶粒尺寸始终在30nm左右，而材料中的微观应变在初始阶段(ε＜1000％)大大升高，这主要反应了样品中位错密度的变化。而当ε≥1000％时，其微观应变达到一饱和值约为0.16％(见图2)。而在退火态粗Cu样品中，微观应变的变化形式却与纳米晶Cu的微观应变变化规律截然不同(如图2所示)。
实施例3高分辨电子显微镜观察冷轧后纳米Cu样品的微观结构发现，在轧制过程中，纳米晶Cu样品中的晶粒大小几乎未发生变化，晶粒形状仍然为等轴晶。但是在轧制态纳米晶Cu样品中，位错密度(主要集中于晶界处)明显增加，晶粒与晶粒之间的取向差也明显增加了，统计结果表明，充分轧制后纳米晶Cu样品中晶粒之间的取向差大约为6～18°，这要明显高于电解沉积态纳米晶Cu样品中的晶粒取向差(1～10°)。如图3所示。
实施例4微观硬度实验结果表明在冷轧过程中，电解沉积纳米Cu样品的硬度在初始阶段从1.05GPa(沉积态)增加到1.20GPa(ε=800％)，如图4所示。继续冷轧，纳米Cu样品中则无加工硬化效应1ε＞800％)。
实施例5用晶粒尺寸为70 nm的纳米Cu样品在室温条件下冷轧，同样发现该样品可在室温下冷轧成厚度约为20μmCu膜。
比较例1在同样的条件下冷轧普通粗晶纯Cu样品发现，当变形量大约为800％时，已有明显的裂纹产生。
比较例2将30nm的纳米晶Cu样品在500℃真空条件下退火48小时，使其晶粒充分长大(晶粒尺寸大于100μm)。在相同的条件下冷轧退火态Cu样品，同样发现当变形量约为700％时，样品四周已有明显裂纹产生。通过以上实验对比可以排除纯度对样品室温塑性的影响。
比较例3在同样的冷轧条件下，冷轧态普通粗Cu样品中则存在着明显的加工硬化效应从图4可以看出，普通粗Cu样品的硬度从原始态的0.61GPa增加到1.57GPa(ε=800％，裂纹产生)；退火态Cu样品的硬度从0.51 GPa(退火态)增加到1.45GPa(ε=650％，裂纹产生)。这种粗晶Cu样品和纳米晶Cu样品中硬度变化的不同趋势说明了二者之间不同的变形机理。
权利要求
1.一种铜膜的制备方法，其特征在于以晶粒尺寸小于100nm的纳米金属Cu为原材料，纯度高于99.995wt％，密度为8.91±0.03g/cm3，在室温冷轧，变形速率1×10-5～1×101/s。
全文摘要
一种铜膜的制备方法，其特征在于以晶粒尺寸小于100nm的纳米金属Cu为原材料，纯度高于99.995wt%，密度为8.91±0.03g/cm
文档编号B21B1/40GK1316304SQ00110288
公开日2001年10月10日 申请日期2000年4月5日 优先权日2000年4月5日
发明者卢磊, 斯晓, 陶乃鎔, 隋曼龄, 卢柯 申请人:中国科学院金属研究所