1、多元化薄膜在國防、汽車、通訊、航空等領域具有廣泛應用。薄膜材料尺寸小，存在表面與界面，導致薄膜材料具有與塊狀材料不同的獨特性能。由于制備工藝及服役條件的特殊性，研究薄膜的宏觀失效過程，壽命與微觀結構狀態(tài)相關性，以及基于納米級力學測試方法定量檢測薄膜材料力學性能有著重要的意義。
　　本文針對納米尺度多元薄膜結構的特殊性，利用磁控濺射技術制備微機電系統(tǒng)中廣泛使用的(Fe-Co-Ni)x(Ti-Zr-Al)100-x高熵合金薄膜，純Cu

2、金屬薄膜和TiN陶瓷薄膜，采用微納動態(tài)載荷壓入技術結合與納米壓痕方法深入探究多元薄膜動態(tài)服役條件下的力學性能。對比了準靜態(tài)加載法、局部卸載法和連續(xù)測試法等納米壓痕儀的不同模塊，對不同厚度薄膜硬度值與彈性模量值提取的準確性，發(fā)現(xiàn)連續(xù)測試法更適用于較薄薄膜的測試。并自主設計了薄膜支架，以獲得測試中用到的無應力試樣，提高應力計算結果的準確性。
　　通過調節(jié)(Fe-Co-Ni)x(Ti-Zr-Al)100-x非等摩爾比高熵合金薄膜中 Fe

3、-Co-Ni等元素含量，制備了非晶含量不同，納米晶尺寸不同的多晶fcc固溶體薄膜。對合金薄膜的微觀結構分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e-Co-Ni元素含量越大，薄膜內的納米晶尺寸越大，其抗氧化能力越強。采用動態(tài)載荷測試技術和納米沖擊測試技術對薄膜的疲勞性能測試，發(fā)現(xiàn)動態(tài)載荷法更適用于薄膜材料疲勞壽命的定量表征。當x含量分別為5，10和15時，薄膜的初始接觸剛度值分別為16.81μN/nm、16.82μN/nm和16.89μN/nm。在動態(tài)加載過程中，剛度

4、值會在疲勞破壞的時間點發(fā)生突降，可以定義此時的循環(huán)載荷次數(shù)為薄膜的疲勞壽命。
　　為探究膜、基材料差異性對薄膜材料力學性能的影響，制備了結構簡單且具有代表性的軟膜/硬基的Cu/Si薄膜材料。通過調節(jié)薄膜厚度，發(fā)現(xiàn)薄膜內部的殘余壓應力隨厚度的增加而逐漸減小，當薄膜厚度達到2000nm時，壓應力變成拉應力0.301GPa。利用動態(tài)載荷測試和分子動力學模擬，從原子/分子角度解析了動載荷作用下軟膜/硬基材料的循環(huán)變形規(guī)律。Cu薄膜的初始剛

5、度值為15μN/nm，發(fā)生疲勞破壞時，剛度值突降到9μN/nm，失效形式為裂紋和分層。在動態(tài)壓入測試中，隨著壓頭半徑的增大，薄膜變形范圍越大，損傷積累越大；隨著加載速度的增大，Cu薄膜出現(xiàn)塑性變形的彈性極限壓深也會增大，會加速疲勞破壞。
　　為探究硬膜結構，薄膜厚度，以及加載條件對薄膜疲勞壽命的影響，將納米級動態(tài)載荷測試與有限元模擬結合對TiN/Si進行了分析。TiN薄膜的初始剛度值為20μN/nm，大于軟膜材料的接觸剛度。其主要

6、疲勞失效形式為分層和剝落。加載的平均載荷和載荷幅值增大，會增大材料的塑性變形，導致應力集中，降低薄膜的疲勞壽命。
　　基于統(tǒng)計學理論，對動態(tài)載荷測試的結果進行擬合，建立了薄膜疲勞壽命預測模型Nf=569.730+0.037·T-1.376·f-28.830p0-16.632pm-0.539v+5.067S。模型中含有薄膜厚度、接觸剛度、載荷頻率等因子，對軟膜/硬基結構和硬膜/軟基結構都適用。為定量檢測發(fā)生疲勞破壞時所對應的循環(huán)載荷