發(fā)布時間：2020-07-19 02:57

【摘要】：柔性電子學因在智能機器人,仿生假肢、醫(yī)療監(jiān)測、電子織物等方面有很大應用潛力,近年來得到蓬勃發(fā)展。通過急速冷卻方法得到的非晶合金保留了合金優(yōu)良的導電性,同時長程無序的原子結構賦予了它優(yōu)異的力學、熱學性能。本論文將這兩個新興領域結合在一起,試圖開發(fā)非晶合金柔性應變敏感材料,并探索非晶合金材料在柔性電子學中的應用,主要內(nèi)容如下:通過在柔性襯底上生長Zr_(55)Cu_(30)Ni_5Al_(10)非晶合金薄膜的方法得到非晶合金皮膚。對其進行壓阻測試結果表明,非晶合金皮膚表現(xiàn)出高的靈敏度、大的彈性極限和優(yōu)異的導電性。與其他電子皮膚的應變敏感材料相比,非晶合金皮膚擁有極低的電阻溫度系數(shù)、明顯的抗菌行為、好的重復性、電阻應變之間有完美線性,以及低成本、低能耗等優(yōu)點,這些都是電子皮膚實際應用的必備條件。非晶合金可作為電子皮膚的應變敏感材料。為了貼合人體的運動,提高非晶合金的可拉伸性,通過在預拉伸的柔性襯底上生長非晶合金薄膜的方法,我們得到了超彈性非晶合金微納結構。這些結構的形貌和尺度可以精確調(diào)控,且可以拉伸至100%,拉伸過程中表面物理性能會隨之變化。這種方法不受玻璃形成能力限制,適用于多種成分的非晶合金�；�于超彈性非晶合金微納結構,我們設計制作了柔性、可拉伸性非晶合金電極。預拉伸得到的褶皺結構可以極大地提高非晶合金的可拉伸性。通過沉積多一層非晶合金薄膜的方法可以有效地“修復”單軸收縮襯底形成的裂紋,得到的單軸非晶合金電極有高的透光性,而雙軸褶皺的非晶合金電極擁有更好的導電性。與其它電極相比,非晶合金表現(xiàn)出更好的耐腐蝕性,可更好地應用于極端環(huán)境中。此外,非晶合金電極結構簡單,成本低,可大面積制作,使其在柔性電子學方面更具競爭力。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TG139.8;TH165
【圖文】：

圖 1.1 AuSi 非晶合金的 X 射線衍射圖[3]Fig.1.1 X-ray diffraction pattern of AuSi metallic glass.此后，人們不斷開發(fā)、改進非晶合金的制造工藝，得到非晶合金的尺寸來越大，如圖 2.2 所示。1974 年，華裔科學家陳鶴壽等人通過吸鑄法得到在毫米級的Pd基非晶合金[4]，正式拉開了塊體金屬合金（Bulk Metallic Gla序幕。然而，此時的塊體非晶合金仍以 Pd 基為主[5,6]，昂貴的金屬 Pd 極大制了非晶合金的應用。直到上世紀 90 年代，日本東北大學 A.Inoue 教授采冷同模的方法相繼得到了La、Mg、Zr基等尺寸可達毫米級的塊體非晶合金[7-接著，美國的 W. L. Johnson 和 Peter 開發(fā)了迄今為止玻璃形成能力最好TiCuNiBe 非晶合金體系[10]，該體系非晶合金有極好的玻璃形成能力，在冷率小于 1K/s 時亦能形成非晶合金。歷經(jīng)科學家們四十余年的努力，非晶合尺寸增加了 3 個數(shù)量級，也為非晶合金的應用奠定了堅實的基礎。

圖 1.2 人類得到非晶合金的尺寸隨時間的變化[11]。Fig.1.2 Over 40 years, the critical casting thickness has increased by more than three ordeof magnitude.2非晶合金性能和應用非晶合金無序的原子結構使其擁有常規(guī)晶態(tài)合金不具備的特殊性能。首學方面。非晶合金不存在晶界、位錯等缺陷，因而表現(xiàn)出遠高于晶態(tài)合他材料的斷裂強度和彈性極限，如圖 1.3 所示。其中，Co 基非晶合金斷有 6GPa[12]，是現(xiàn)有金屬材料之最。Fe 基非晶合金也有 4.3Gpa,而常規(guī)結斷裂強度只有 600MPa[13]。非晶合金的彈性極限可達 2%，是常規(guī)晶態(tài)合倍甚至數(shù)十倍。高強度和大彈性極限使非晶合金擁有出色的儲彈性能力這些優(yōu)異的力學性質(zhì)，非晶合金在軍事、體育、日常生活中都有所應用 1.4：相較于普通球桿，用非晶合金制作的高爾夫球擊球頭和棒球桿可以

圖 1. 3 非晶合金擁有比晶態(tài)合金更高的強度，同時擁有能與聚合物比擬的彈性極限Fig.1.3 Amorphous metallic alloys combine higher strength than crystalline metal alloys wlasticity of polymers.

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