TiN/NbN纳米多层薄膜的交变应力场和超硬效应

为了研究纳米多层薄膜的超硬效应 ,采用反应溅射法制备从 1 4nm至 2 7nm不同调制周期的一系列TiN/NbN纳米多层膜。高分辨电子显微镜对薄膜的调制结构和界面生长方式的观察发现 ,TiN/NbN膜具有很好的调制结构 ,并呈现以面心立方晶体结构穿过调制界面外延生长的多晶超晶格结构特征。显微硬度测量表明 ,TiN/NbN纳米多层膜存在随调制周期变化的超硬效应。薄膜在调制周期为 8 3nm时达到HK39 0GPa的最高硬度。分析认为 ,两种不同晶格常数的晶体外延生长形成的交变应力场 ,对材料有强化作用 ,这是TiN/NbN纳米多层膜产生超硬效应的主要原因     

TaN／NbN纳米多层膜的力学性能与耐磨性

采用反应溅射在多靶溅射仪上制备了调制周期小于73.2nm的一系列TaN/NbN纳米多层膜和TaN,NbN单层薄膜，并采用透射电子显微镜、显微硬度计和凹坑研磨仪研究了薄膜的微结构、力学性能和耐磨性。结果表明，具有成分周期变化的TaN/NbN纳米多层膜在其调制周期为2.3-17.0nm范围内产生硬度异常升高的超硬效应，最高硬度达到HK51.0GPa；磨损实验表明，TaN/NbN纳米多层膜耐磨性远高于TaN和NbN单层膜，其主要原因是调制结构中大量界面的存在，提高了薄膜的韧性。     

TaN/NbN纳米多层膜的力学性能与耐磨性

采用反应溅射在多靶溅射仪上制备了调制周期小于 73 .2nm的一系列TaN/NbN纳米多层膜和TaN ,NbN单层薄膜 ,并采用透射电子显微镜、显微硬度计和凹坑研磨仪研究了薄膜的微结构、力学性能和耐磨性。结果表明 ,具有成分周期变化的TaN/NbN纳米多层膜在其调制周期为 2 3～ 17 0nm范围内产生硬度异常升高的超硬效应 ,最高硬度达到HK 5 1 0GPa ;磨损实验表明 ,TaN/NbN纳米多层膜耐磨性远高于TaN和NbN单层膜 ,其主要原因是调制结构中大量界面的存在 ,提高了薄膜的韧性。     

结构调制超硬Ti/TiN纳米多层膜的制备及其尺寸效应

使用多弧离子镀技术在高速钢基体上制备了调制周期为5~40 nm的Ti/TiN纳米多层膜,用扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、纳米压痕仪和划痕仪等手段表征薄膜的微观结构和性能,研究了调制周期对Ti/TiN纳米多层膜性能的影响,并讨论了在小调制周期条件下Ti/TiN纳米多层膜的超硬效应和多弧离子镀技术对纳米多层膜硬度的强化作用。结果表明,与单层TiN相比,本文制备的Ti/TiN纳米多层膜分层情况良好,薄膜均匀致密,没有明显的柱状晶结构,TiN以面心立方结构沿(111)方向择优生长。随着调制周期的减小薄膜的硬度呈现先增大后减小的趋势,并在调制周期为7.5 nm时具有最大的硬度42.9 GPa和H/E值。这表明,Ti/TiN在具有最大硬度的同时仍然具有良好的耐磨性和韧性。Ti/TiN纳米多层膜的附着力均比单层TiN薄膜的附着力高,调制周期为7.5 nm时多层膜的附着力为(58±0.9) N。     

NbN/TaN纳米多层膜的微结构及超高硬度效应

用磁控反应溅射的方法在不锈钢基片上制备了NbN／TaN纳米多层薄膜,试验采用X射线衍射仪（XRD）、透射电子显微镜（TEM）及显微硬度仪对薄膜的微结构和硬度进行分析,结果表明：在NbN／TaN多层膜中,NbN层为面心晶体结构,TaN层为六方晶体结构;NbN／TaN纳米多层膜存在超硬效应,在调制周期2．3～170nm这一放宽的范围内保持超高硬度,硬度最大值HK达51.0GPa     

TiAlN/TiN纳米多层膜的微结构与力学性能

采用多靶反应磁控溅射制备了一系列TiAlN层厚固定,TiN层厚在一定范围内连续变化的不同调制结构的TiAlN/TiN纳米多层膜,并使用X射线衍射分析、扫描电子显微镜、纳米压痕仪和CETR-UMT-3型多功能摩擦磨损试验机对多层膜的微观结构和力学性能进行了表征和分析。研究结果表明:TiAlN/TiN纳米多层膜形成了周期性良好的成分调制结构,其中TiN层的插入并没有打断TiAlN层的柱状晶生长。在一定的调制周期下,TiN层和TiAlN层能够形成共格外延生长结构,多层膜呈现硬度异常升高的超硬效应,当TiN层厚约为1.6 nm时多层膜的硬度达到最大值50 GPa,并具有相比于TiAlN单层膜更低的摩擦系数。进一步增加TiN层厚,由于多层膜共格界面结构的破坏,多层膜的硬度随之降低。     

SiO2层晶化对TiN/SiO2纳米多层膜结构和性能的影响

采用多靶磁控溅射法制备了一系列具有不同SiO2调制层厚的TiN/SiO2纳米多层膜.利用X射线衍射、X射线能量色散谱、扫描电子显微镜、高分辨电子显微镜和微力学探针表征和研究了多层膜的生长结构和力学性能.结果表明,具有适当厚度(0.45～0.9 nm)的SiO2调制层,在溅射条件下通常为非晶态,在TiN层的模板作用下晶化并与TiN层共格外延生长,形成具有强烈(111)织构的超晶格柱状晶多层膜;与此相应,纳米多层膜产生了硬度和弹性模量异常增高的超硬效应(最高硬度达45 GPa).随着SiO2层厚度的继续增加,SiO2层转变为非晶态,阻断了多层膜的共格外延生长,使纳米多层膜形成非晶SiO2层和纳米晶TiN层的多层结构,多层膜的硬度和弹性模量逐渐下降.     

TiN/Si3N4纳米多层膜的生长结构与超硬效应

采用磁控溅射方法制备了一系列不同Si3N4和TiN层厚的TiN/Si3N4纳米多层膜,采用X射线衍射、高分辨电子显微分析和微力学探针表征了薄膜的微结构和力学性能,研究了Si3N4和TiN层厚对多层膜生长结构和力学性能的影响.结果表明:当Si3N4层厚小于0.7 nm时,原为非晶的Si3N4在TiN的模板作用下晶化并与之形成共格外延生长的柱状晶,使TiN/Si3N4多层膜产生硬度和弹性模量异常升高的超硬效应.最高硬度和弹性模量分别为34.0 GPa和353.5 GPa.当其厚度大于1.3 nm时,Si3N4呈现非晶态,阻断了TiN的外延生长,多层膜的力学性能明显降低.此外,TiN层厚的增加也会对TiN/Si3N4多层膜的生长结构和力学性能造成影响,随着TiN层厚的增加,多层膜的硬度和弹性模量缓慢下降.     

TiN/Si3N4纳米晶复合膜的微结构和强化机制

采用高分辨透射电子显微镜对高硬度的TiN/Si3N4纳米晶复合膜的观察发现,这类薄膜的微结构与Veprek提出的nc-TiN/a-Si3N4模型有很大不同：复合膜中的TiN晶粒为平均直径约10nm的柱状晶,存在于柱晶之间的Si3N4界面相厚度为0.5～0.7nm,呈现晶体态,并与TiN形成共格界面.进一步采用二维结构的TiN/Si3N4纳米多层膜的模拟研究表明,Si3N4层在厚度约＜0.7nm时因TiN层晶体结构的模板作用而晶化,并与TiN层形成共格外延生长结构,多层膜相应产生硬度升高的超硬效应.由于TiN晶体层模板效应的短程性,Si3N4层随厚度微小增加到1.0nm后即转变为非晶态,其与TiN的共格界面因而遭到破坏,多层膜的硬度也随之迅速降低.基于以上结果,本文对TiN/Si3N4纳米晶复合膜的强化机制提出了一种不同于nc-TiN/a-Si3N4模型的新解释.     

调制结构对TiN/ZrN纳米多层膜的表面形貌、生长行为及力学性能的影响

利用射频反应磁控溅射方法,设计并制备了一系列不同调制周期的TiN/ZrN纳米多层膜.利用原子力显微镜、X射线衍射仪和纳米压痕仪对多层膜的表面形貌、微观结构和力学性能进行了系统表征.研究结果表明调制结构影响着薄膜的择优生长取向、沉积速率和表面形貌;在调制周期为7nm～26nm的范围内,随调制周期的增加,TiN/ZrN多层膜的织构取向有从(100)面向(111)面转变的趋势;TiN和ZrN层的沉积速率随调制周期的变化而变化.在调制周期为15nm左右时,表面粗糙度最小,减小和增加调制周期均导致粗糙度的增加.力学性能分析表明TiN/ZrN多层膜的硬度和弹性模量均高于单一TiN和ZrN的硬度和弹性模量,且随着调制周期的减小有逐渐增加的趋势.此外,根据调制结构和力学性能的分析结果,讨论了TiN/ZrN纳米多层膜的硬化机制.     

ZrC/ZrB2纳米多层膜的微观结构与机械性能的研究

选择ZrC和ZrB2为个体层材料,利用射频磁控溅射系统在室温下制备具有纳米尺寸的ZrC/ZrB2多层膜.通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、俄歇电子能谱、表面轮廓仪及纳米力学测试系统研究了调制周期与ZrC,ZrB2单层厚度比例(tZrCtZrB2)对多层膜生长结构和力学性能的影响.结果表明,多层膜的界面清晰,调制周期性好,大部分多层膜的纳米硬度和弹性模量值都高于两种个体材混合相的值,在调制比例tZrCtZrB2=11.7、调制周期为32 nm时,薄膜显示出很强的ZrC(111)择优趋向和较弱的ZrB2(001)及ZrB2(002)结构,同时产生硬度异常升高的超硬效应,其硬度达到42 GPa.多层膜的机械性能改善明显与其调制结构和多晶结构有着直接的联系.     

硬质薄膜材料的最新发展及应用

综述了硬质薄膜材料的最新研究状况。硬质薄膜的设计向着多元化、多层膜的方向发展。本征超硬薄膜材料，如：金刚石、C—BN、B4C、TiB2、BC4N等的硬度可以达到50～80GPa。纳米超晶格薄膜和纳米晶复合膜两类新的超硬薄膜的硬度分别随超晶格的调制周期减小，纳米晶晶粒尺寸减小而增加，它们的硬度都能达到40～70GPa。最高硬度的薄膜材料nc—TiN／a—Si3N4采用PCVD方法制备，加载30mN测得塑性硬度(Plastic hardness)H=110GPa；加载70mN，H=80GPa。本综述对硬质薄膜的应用前景做了展望。     

TiN/AlN纳米多层膜的调制周期及力学性能研究

采用一种新型的离子束辅助非平衡反应磁控溅射设备制备了TiN/AlN纳米多层复合膜.采用XRD衍射、TEM、显微硬度计和干涉显微镜对TiN/AlN纳米多层膜的微结构和力学性能进行了表征.结果表明TiN/AlN多层膜有良好的周期;调制结构影响薄膜的择优取向,薄膜整体表现出硬度增强的效果,硬度随调制周期的变化而变化并在调制周期为7.5 nm时达到最大值.     

TiN／AIN纳米多层膜的调制周期及力学性能研究

采用一种新型的离子束辅助非平衡反应磁控溅射设备制备了TiN／AlN纳米多层复合膜。采用XRD衍射、TEM、显微硬度计和干涉显微镜对TiN／AlN纳米多层膜的微结构和力学性能进行了表征。结果表明：TiN／AlN多层膜有良好的周期；调制结构影响薄膜的择优取向，薄膜整体表现出硬度增强的效果，硬度随调制周期的变化而变化并在调制周期为7、5nm时达到最大值。     

W/Mo超晶格薄膜的微结构研究

纳米多层膜因常出现物理或力学性能的异常而成为薄膜研究的热点之一。采用ＸＲＤ和ＴＥＭ技术研究了Ｗ／Ｍｏ纳米多层膜微结构。结果表明,Ｗ和Ｍｏ由于同为体心立方结构,且晶格常数相近,由它们交互重叠形成的纳米多层膜具有柱状晶穿过调制界面外延生长的结构特征,形成多晶超晶格结构。     

纳米多层膜中的非晶晶化与超硬效应

通过对TiN/SiC、TiN/TiB₂和TiN/SiO₂纳米多层膜微结构和力学性能的研究, 展示了通常溅射沉积态为非晶的SiC、TiB2和SiO₂薄膜, 在立方结构的TiN晶体层模板作用下的晶化现象, 以及多层膜由此产生的生长结构和力学性能的变化. 结果表明: SiC在层厚0.6nm时晶化为立方结构后,可以反过来促进TiN/SiC多层膜中TiN层的晶体完整性; TiB₂在层厚2.9nm时晶化为六方结构, 并与TiN形成{111} _TiN//{0001} _TiB2, <100> _TiN//<11-20> _TiB2 的共格关系; SiO₂在层厚0.9nm 时晶化为立方结构的赝晶. 多层膜中SiC、TiB₂和SiO₂晶化后都与TiN形成共格外延的生长结构, 并相应产生了硬度升高的超硬效应. 随着SiC、TiB₂和SiO₂层厚的增加, 它们又转变为非晶态, 多层膜的共格外延生长受到破坏, 其硬度亦明显降低.     

电弧离子镀TiN/Ti纳米多层膜的力学性能

采用多弧离子镀技术,在不同沉积参数下合成具有纳米调制周期的TiN/Ti多层膜。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、XP-2台阶仪、XP型纳米压痕仪、X射线能谱仪(EDS)研究了调制周期对TiN/Ti纳米多层膜微观结构、表面形貌以及力学性能的影响。结果表明,膜层由TiN和Ti交替组成,不存在其它杂相,且TiN薄膜以面心立方结构沿(111)密排面择优生长;TiN/Ti多层膜外观致密、平滑、颜色均匀金黄,随着调制周期的减小,薄膜表面大颗粒数量和尺寸均减小,且氮含量逐渐升高,膜层硬度呈现出增大的趋势。     

力学探针两步压入法研究(Ti,Al)N/AlN纳米多层膜的超硬效应

提出了采用毫牛力学探针技术对硬质薄膜的硬度和弹性模量等力学性能进行准确测量的两步压入法，并用此方法研究了（Ti,Al）N／AlH纳米多层膜的硬度和调制周期之间的关系。结果表明，该纳米多层膜体系的硬度和弹性模量随调制周期的减小单调增加，并在调制周期为1.3nm时达到最高值HV＝29.0GPa和E＝383.0GPa，表明（Ti,Al)N/AlN纳米多层膜存在超硬度和超模量效应。     

非对称双极脉冲反应磁控溅射制备TiN/NbN多层膜

采用非对称双极脉冲磁控溅射制备了一系列不同调制周期的TiN/NbN纳米多层膜,利用X射线衍射分析(XRD)、纳米压痕仪、扫描电子显微镜(SEM)表征了薄膜的微观结构、力学性能和断口形貌。结果表明,在调制周期为19.86nm时,纳米压痕硬度达到43GPa。利用三点弯曲法形成裂纹的扩展,并观察到了裂纹的偏转特征。     

微纳尺度TiN多层薄膜/涂层力学性能研究进展

TiN纳米多层薄膜/涂层由于其高的硬度、耐磨性和断裂韧性等优点在精密刀具和模具方面备受青睐。近些年TiN纳米多层薄膜在力学性能方面的研究主要集中于超硬性能、摩擦磨损性以及断裂韧性三个方面。本文分别从膜层间作用关系、微观结构以及裂纹扩展机制等角度讨论多层构造对薄膜的超硬性能、耐磨性性以及断裂韧性的影响机理。提出超硬机理指导薄膜制备,残余应力影响裂纹的双重效应,建立多层微观结构与宏观力学性能映射关系三个研究方向,以期为研究TiN纳米多层薄膜力学性能提供新思路。另外,简单介绍了多层结构能够提升薄膜的高温抗氧化性和耐腐蚀性,并展望了TiN纳米多层膜的发展方向。