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基于激光辐照的铜薄膜疲劳损伤修复研究
基于激光辐照的铜薄膜疲劳损伤修复研究
摘要：疲劳损伤是薄膜材料常见的破坏形式，在薄膜材料的应用中会产生重大影响。为了有效修复铜薄膜疲劳损伤，本文采用激光辐照技术，并对修复效果进行了研究。实验结果表明，激光辐照可以有效地修复铜薄膜疲劳损伤，提高其使用寿命。
关键词：激光辐照技术；铜薄膜；疲劳损伤；修复；使用寿命
1.引言
薄膜材料是一种薄到微米级别的材料，其特点是具有高比表面积、低成本、轻质、高性能等。铜薄膜是一种应用广泛的薄膜材料，其在微电子、纳米加工、传感器等领域有着广泛的应用。然而，由于薄膜的特殊性质，其容易受到外部环境的影响，尤其是在循环加载和外力作用下，容易出现裂纹、脱落、剥离等问题，称为疲劳损伤。疲劳是材料结构在受到受力作用及其应变循环作用下发生塑性变形、裂纹扩展及最终失效的现象，这不仅会影响薄膜材料的使用寿命，还会导致设备工作不稳定，甚至损坏，因此，研究薄膜疲劳损伤修复技术是十分必要的。
2.激光辐照修复技术
激光辐照技术在材料科学与工程领域有着广泛的应用，其中包括疲劳损伤修复。此技术利用激光光束在材料表面扫描，经过激光与材料的相互作用，可以改变材料的表面结构、材料性质等，达到修复损伤、改善材料性能的目的。
目前，国内外已有许多学者对激光辐照修复技术在薄膜材料中的应用进行了研究。其中，德国的KarlheinzBartsch等人研究了激光辐照对镍铬基合金薄膜疲劳寿命的影响，他们发现，在激光辐照条件下，薄膜的疲劳寿命可以得到明显的提高。另外，美国的DavidE.Adesida等人也研究了激光辐照技术对氧化锌薄膜的影响，结果表明，激光辐照使得氧化锌薄膜表面形貌得到改善，并显著提高了薄膜的机械性能。
3.实验方法
本实验选用厚度为500nm的铜薄膜作为研究对象，采用循环加载法产生疲劳损伤。疲劳试样的尺寸为1mm×1mm，通过拉伸试验机进行循环拉伸，加载幅值为50MPa，循环频率为50Hz，共进行10000次循环加载。
实验中使用Nd:YAG激光器作为激光辐照来源，其波长为1064nm，出力功率为60W，频率为10Hz。激光辐照过程中，铜薄膜试样放置在工作台上，激光束以不断变化的角度进行扫描，扫描范围为铜薄膜疲劳裂纹区域。
通过扫描电子显微镜(SEM)观察激光辐照前后的铜薄膜疲劳损伤情况，并使用万能试验机对试样进行拉伸实验，最终得到材料性能的变化。
4.结果分析
实验结果显示，激光辐照可以有效地修复铜薄膜的疲劳损伤，提高其使用寿命。在激光辐照前，铜薄膜试样表面存在明显的疲劳裂纹，且随着加载次数的增加，裂纹不断扩展，导致材料变形和破坏。而在激光辐照后，疲劳损伤处的铜薄膜表面出现了明显的熔化和结晶，同时裂纹的长度和数量均得到显著降低。
此外，我们还对激光辐照后的铜薄膜试样进行了拉伸实验。结果显示，相比于未经过激光辐照的试样，激光辐照后处理的铜薄膜试样显示出明显的高强度、高韧性特点，证明激光辐照可以在不改变材料化学成分的情况下，改变其表面结构，提高材料性能。
5.结论
通过本次实验结果的分析可以得出如下结论：
(1)铜薄膜在循环加载条件下容易发生疲劳损伤，降低其使用寿命。
(2)激光辐照技术可以有效地修复铜薄膜疲劳损伤，提高其使用寿命，并使其具有较高的机械性能。
(3)激光辐照技术是一种极具潜力的薄膜材料修复技术，可以在未来的微电子、纳米加工等领域得到广泛应用。