碳纳米管与金属互连材料的界面行为研究

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碳纳米管(CNTs)自1990年发现以来,它的各种特性都得到了广泛的研究。碳纳米管具有优良的热学、电学和力学特性,低密度和高纵横比等特点。由于碳纳米管具有这些优良的特性,碳纳米管被视作为复合材料的增强体,尤其是在高分子聚合物中更得到广泛的应用。然而由于碳纳米管容易团聚,需要对碳纳米管进行改性;并且适当的改性还能提高碳纳米管与基体的界面粘结能力。分子动力学能够利用现代的计算机技术,在微观状态下模拟材料在不同条件下的原子构型并揭示其力学性能。由于经典分子动力学基于牛顿力学,只要能找到合适的描述材料性能的势函数,就能对其进行模拟仿真。本文基于经典分子动力学的方法,以碳纳米管,碳纳米管/镍,碳纳米管/镍/铜为研究对象来讨论镀镍碳纳米管对铜基体力学性能的影响。文中首先研究了不同温度下,镍对碳纳米管材料特性的影响,发现镀镍使得碳纳米管拉伸强度降低了,而低温时碳纳米管和镀镍碳纳米管杨氏模量变化较小。铜作为封装中较常用的金属,但不能在碳纳米管表面形成光滑连续分布。由于碳纳米管对镍具有良好的吸附能力,使得镍能在碳纳米管表面连续光滑分布。同时由于镍与铜之间能够彼此无限固溶,从而形成连续固溶体。因此考虑了镍作为碳纳米管与铜基体材料的粘结剂。为了检验镍的粘结能力,以碳纳米管/镍/铜基体和碳纳米管/铜基体为模型,在不同温度下,分别对镀镍碳纳米管和碳纳米管从铜基体中拔出所需的拉拔力进行了比较。结果表明相同条件下,前者所需的力远大于后者。最后研究了应变率对碳纳米管和铜单晶材料特性的影响,以及镀镍对铜纳米线力学特性的影响;结果表明碳纳米管和铜单晶都表现出应变率强化效应,镍增强了铜单晶的拉伸强度。通过对以上材料进行的分子动力学仿真,得出镀镍碳纳米管能提高铜基体材料的力学性能;碳纳米管如果与亲和性不好的金属混合时,可以通过对碳纳米管进行适当的修饰更有利于提高碳纳米管与基体材料的界面粘结力。
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