Cu/Nb纳米金属多层膜延性及断裂行为的尺寸效应

通过单轴拉伸实验并结合原位电阻测量法系统研究了恒定调制比下调制波长(λ=10-250 nm)对聚酰亚胺基体上Cu/Nb纳米金属多层膜延性和断裂韧性的影响.微观分析表明,Cu/Nb的调制结构清晰,不存在明显的互混现象.实验结果表明,随着调制波长的减小,多层膜的延性和断裂韧性均呈现非单调演变趋势,在调制波长为50 nm左右...     

Cu/X(X=Cr,Nb)纳米多层膜力/电学性能的尺度依赖性

利用纳米压痕实验以及四探针法,系统研究了相同层厚Cu/X(X=Cr,Nb)纳米金属多层膜的力学性能(强/硬度)和电学性能(电阻率)的尺度依赖性.微观分析表明:Cu/X多层膜调制结构清晰,Cu层沿{111}面择优生长,X层沿{110}面择优生长.纳米压入结果表明,Cu/X多层膜的强度依赖于调制周期,并随调制周期的减小而增加.多层膜变形机制在临界调制周期(λ~c≈25 nm)由Cu层内单根位错滑移转变为位错切割界面.多层膜的电阻率不仅与表面/界面以及晶界散射相关,而且在小尺度下受界面条件显著影响.通过修正的FS-MS模型可以量化界面效应对多层膜电阻率的影响.Cu/X纳米多层膜可以通过调控微观结构实现强度-电导率的合理匹配.     

Cu/Ni和Cu/Nb纳米多层膜的应变率敏感性

为研究调制周期和界面结构对纳米多层膜应变率敏感性的影响,采用电子束蒸发镀膜技术在Si基片上制备了不同周期(Λ=4 nm,12 nm,20 nm)的Cu/Ni纳米多层膜,采用磁控溅射技术在Si基片上制备了不同周期(Λ=5 nm,10 nm,20 nm)的Cu/Nb纳米多层膜。在真空条件下,对Cu/Ni纳米多层膜进行了温度分别为200和400℃、时间4 h的退火处理,对Cu/Nb纳米多层膜进行了温度分别为200、400和600℃,时间为4 h的退火处理。采用XRD和TEM表征了Cu/Ni和Cu/Nb纳米多层膜的结构,采用纳米压痕仪获取了不同加载应变率(0.005、0.01、0.05和0.2 s~(-1))下纳米多层膜的硬度。结果表明,应变率敏感性受到界面结构和晶粒尺寸的影响,非共格界面密度提高以及晶粒尺寸变大均可导致应变率敏感性下降。当周期变大时,Cu/Ni纳米多层膜的非共格界面密度提高,晶粒尺寸变大,应变率敏感性指数m减小;当周期变大时,Cu/Nb纳米多层膜的非共格界面密度下降,晶粒尺寸变大,m基本不变。随退火温度上升,Cu/Ni和Cu/Nb纳米多层膜应变率敏感性大体上呈现下降趋势,这是由退火过程中非共格界面密度上升和晶粒长大共同引起的。     

Cu/Ni多层膜对Ti811合金微动磨损和微动疲劳抗力的影响

在Ti811钛合金表面利用离子辅助磁控溅射沉积技术制备20～1200nm不同调制周期的Cu/Ni金属多层膜,分析多层膜的结构,测试膜基结合强度、膜层显微硬度和韧性,对比研究不同调制周期的Cu/Ni多层膜对钛合金基材常温下微动磨损性能和微动疲劳(FF)抗力的影响。结果表明:利用离子辅助磁控溅射技术可以获得致密度高、晶粒细化、膜基结合强度高的Cu/Ni多层膜,该类多层膜具有良好的减摩润滑作用,因而改善了Ti811钛合金常温下抗微动磨损和微动疲劳性能;Cu/Ni多层膜对钛合金FF抗力的改善程度随膜层调制周期呈现非单调变化趋势,调制周期为200nm的Cu/Ni多层膜对钛合金FF抗力的提高程度最大,原因归于该膜层具有良好的强韧和润滑综合性能。     

Cu-Cr纳米金属多层膜屈服强度/硬度的尺寸依赖性

采用磁控溅射方法分别在聚酰亚胺基体以及单晶硅基体上制备恒定调制比(η)以及恒定调制周期(λ)的Cu-Cr纳米金属多层膜;通过单轴拉伸试验以及纳米压痕试验系统研究Cu-Cr多层膜屈服强度及硬度的尺度依赖性。微观分析结果表明:基体对多层膜的微观结构无影响,Cu-Cr多层膜在生长方向上均呈现Kurdjumov-Sachs取向关系,即{111}Cu//{110}Cr和-110-Cu//-111-Cr。力学测试结果表明:调制比恒定的Cu-Cr多层膜的屈服强度及硬度随调制周期的缩短而增加;调制周期恒定的Cu-Cr多层膜的屈服强度/硬度随调制比的增加而增加。Cu-Cr多层膜变形机制在临界调制周期(λc≈25 nm)和临界调制比(ηc≈1)由Cu层内单根位错滑移转变为负载效应。     

Cu/Ni多层膜在多冲与压压载荷下的失效行为

采用磁控溅射技术在TC4钛合金表面制备Cu/Ni多层膜,利用多冲和动态循环压压试验装置对膜层的力学性能进行了评价,探讨了冲击条件、多层膜调制周期及结构等对多层膜失效行为的影响,比较了多层膜和单层Cu、Ni膜在多冲条件下的失效行为,以及多冲与循环压压载荷对多层膜失效行为的影响.结果表明:多冲法能够较好地表征Cu/Ni多层膜的结合强度、韧性、内聚强度.压压载荷作用下多层膜的失效主要表现为单一的开裂现象,因而压压法更适合评价膜层的韧性.采用合适的过渡层、离子辅助和基材加热方法可以获得高的多层膜强度和韧性;调制周期小于600 nm的Cu/Ni多层膜的内聚强度、韧性及多冲承载能力高于Cu、Ni单层膜;调制周期小于200 nm的多层膜呈现出明显的超硬度现象,且具有良好的强韧性能.     

Zr-Nb-Cu合金非晶化反应的热力学计算及离子束混合实验

利用超高真空镀膜法制备了Zr-Nb-Cu合金系统五个不同成分点多层膜样品,成分点分别为Zr63Nb19Cu18、Zr42Nb19Cu39、Zr41Nb39Cu20、Zr19Nb18Cu63和Zr14Nb70Cu16.对样品进行离子束混合实验及相关表征后发现,Zr-Nb-Cu合金系统能形成非晶态合金,但是Nb元素的加入并不利于非晶形成.Zr19Nb18Cu63和Zr41Nb39Cu20多层膜样品得到了非晶态和固溶体的双相结构,此类双相结构比单一非晶相结构具有更好的力学性能.     

调制周期对Cr/CrN纳米多层膜的结构与性能的影响

采用多弧离子镀技术在65Mn钢表面制备了不同调制周期的Cr/CrN纳米多层膜.采用俄歇能谱仪(AES)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、纳米硬度仪、轮廓仪和划痕仪,分析了不同调制周期Cr/CrN纳米多层膜的成分分布、微观结构、力学性能、残余应力和结合强度.结果表明,Cr/CrN纳米多层膜的表面平整致密,截面层状调制结构清晰,其调制结构为Cr层-过渡层-CrN层的"三明治"结构,调制比约为1∶ 1.多层膜由CrN、Cr2N和Cr相组成,在CrN(200)方向上出现择优取向.当调制周期为80 nm时,多层膜的硬度值相对较高.随调制周期的增大,Cr/CrN多层膜的残余应力值减小,结合强度值先增大后减小.当调制周期为120 nm时,涂层的划痕临界载荷值相对较高,为69 N.     

离子束增强沉积Ti–Mo多层膜和TiMo合金膜及其性能

采用离子束增强磁控溅射沉积技术制备了Ti-Mo金属多层膜和TiMo合金膜,评价了膜层的结合强度、韧性、硬度等力学性能和摩擦学性能.结果表明:不同调制周期及不同调制比的Ti-Mo多层膜的硬度均比Ti、Mo金属单层膜的硬度高,调制周期小于200 nm的多层膜呈现出明显的超硬度现象,调制周期为20 nm的多层膜硬度达到最大值,多层膜硬度随Ti膜:Mo膜调制比的减小而提高.Mo过渡层比Ti过渡层更能有效改善膜层的结合强度,离子辅助轰击能明显提高膜层的结合力.TiMo合金膜的硬度与Mo金属单层膜相近,明显低于调制周期20～200 nm的Ti-Mo多层膜,其韧性也明显低于调制周期60 nm以上的Ti-Mo多层膜.调制周期20～200 nm的Ti-Mo多层膜的耐磨性能优于TiMo合金膜.     

组分调制Cu/Ni多层膜的合金化及其合金化镀层的耐蚀特性

采用双槽电沉积方法制备出了Cu/Ni多层膜。探讨了调制波长、热处理条件等对Cu/Ni多层膜合金化行为影响的规律,并借助于SEM和XRD等对Cu/Ni多层膜及其合金化镀层的结构与组成进行了分析表征。结果表明,利用Cu/Ni多层膜合金化方法可以制备出组织均一、成分均匀的Cu-Ni合金镀层,且多层膜调制波长的减小、热处理时间的延长及保温温度的升高均有利于Cu/Ni多层膜的合金化。此外,利用电化学综合测试技术对合金镀层的耐蚀行为进行了评估。结果表明,合金化后的Cu-Ni合金镀层比相应条件下的纯Cu镀层、Ni镀层具有更正的自腐蚀电位、更低的极化电流密度以及更小的腐蚀速率。     

调制周期对Ti/TiB_2多层膜的结构和力学性能的影响

采用磁控溅射法制备了Ti/TiB_2周期性(T=2,3,4,6,12)多层膜,利用X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜分析了薄膜的相结构和表面(断面)形貌,采用纳米压痕仪、多功能摩擦摩损试验机和显微硬度计研究了多层膜的纳米硬度、弹性模量、膜基结合力以及断裂韧性。结果表明:Ti/TiB_2多层膜具有清晰的纳米层状结构,薄膜表面致密平整,与基体保持着良好的物理结合。多层膜的硬度和弹性模量随着调制周期的增加而增大,在周期T=12时,多层膜的硬度和弹性模量达到最大值,分别为35.8和349 GPa;多层膜的断裂韧性随着周期的增加呈现出先增大而后减小的趋势,当周期T=6时多层膜的断裂韧性最好,其断裂韧度为2.17 MPa·m~(1/2)。分析认为多层膜中的Ti子层可使裂纹尖端产生钝化作用,从而引起裂纹扩展路径发生偏转,提高了多层膜的断裂韧性。     

电弧离子镀方法制备的Ti/TiN多层膜的结构与耐腐蚀性能

采用电弧离子镀技术,通过周期性变换环境气氛,在7075Al合金上制备了Ti/TiN多层膜,并研究调制周期对多层膜的结构组成和腐蚀性能的影响。结果表明:多层膜与铝合金衬底界面结合较好,基本没有孔洞等缺陷。多层膜具有明显的层状特征,层间界面清晰。多层膜中TiN与单层中TiN薄膜有着相同的晶体结构,并存在(111)择优取向,每个调制周期内的TiN层都呈柱状生长。随着调制周期变小,多层膜阳极极化曲线的腐蚀电位增加,交流阻抗谱的阻抗值增大,容抗弧的半径也增大,即膜层的耐腐蚀性增加。多层膜调制周期的减小使得薄膜中含有的层界面增多,而贯穿至衬底表面的针孔等缺陷的数量将减少,这样,腐蚀性介质经过针孔等缺陷与衬底接触的机会变少,这将使薄膜的抗腐蚀能力得到改善。     

调制比对Cr/CrN/Cr/CrAlN多层膜结构及性能的影响

目的 探究Cr/CrN/Cr/CrAlN多层膜的最佳调制比.方法 利用电弧离子镀技术,在TC4钛合金上制备了不同调制比的Cr/CrN/Cr/CrAlN多层膜.利用扫描电子显微镜观察膜层表面和截面形貌;用Image-Pro分析软件对表面的大颗粒进行定量分析;利用X射线衍射法表征膜层的晶体结构;采用维氏硬度计测量膜层的显微硬度;采用划痕试验仪测量膜层与基体之间的结合力(临界载荷);通过基片弯曲法测量并计算得到膜层的残余应力;利用根据ASTM G76-05标准特制的AS600-喷砂试验机进行了抗冲蚀性能测试;采用三维表面轮廓仪测量冲蚀坑深度.结果 膜层表面质量和生长取向与LCr/CrN:LCr/CrAlN调制比密切相关,随着Cr/CrN比例的增加,膜层表面质量越来越好,择优取向由(111)晶面转为(200)晶面.多层膜的硬度随Cr/CrN比例的增加,呈下降趋势,结合力、残余应力和韧性则随之呈先升后降的趋势,并在LCr/CrN:LCr/CrAlN为1:2时,达到最佳.多层膜的抗砂粒冲蚀性能变化与力学性能变化一致,在LCr/CrN:LCr/CrAlN为1:2时达到最佳,其抗冲蚀能力是TC4基材的3倍以上,多层膜呈典型的脆性断裂失效形式.结论 在调制比LCr/CrN:LCr/CrAlN=1:2时,膜层获得最佳的抗冲蚀性能.     

双槽电沉积法制备Cu/Ag纳米多层膜

双槽电沉积法制备了不同调制波长的Cu/Ag金属多层膜(Cu膜和Ag膜等厚),用扫描电子显微镜观察了多层膜的层状结构,并研究了不同调制波长下多层膜的显微硬度变化.结果表明:双槽电沉积法制备的Cu/Ag多层膜层状结构明显.当调制波长大于100 nm时,显微硬度随调制波长减小而增加;当小于100 nm时,硬度随调制波长减小而...     

不同调制波长Cu/Ag多层膜硬度分析

用直流电沉积双槽法在纯铜基体上制备了不同调制波长的Cu/Ag多层膜,研究了多层膜硬度与调制波长之间的关系.实验结果表明,当调制波长位于600～300nm时,Cu/Ag多层膜的硬度与调制波长之间较好地符合基于位错塞积模型的Hall-Petch关系;当调制波长小于300 nm时,硬度与调制波长的关系偏离了HaU-Petch关系.由实验结果分析得出了Cu/Ag多层膜的位错稳定存在极限晶粒尺寸约为25 nm,与基于程开甲等人的位错稳定性理论得出的Ag晶体极限晶粒尺寸27 nm接近,验证了程开甲等人的位错稳定性理论.     

TiN/ZrO2 multilayers synthesized on GCr15 bearing steel using plasma immersion ion implantation and deposition

TiN/ZrO₂ multilayers with different modulation periods were synthesized on GCr15 bearing steel using plasma immersion ion implantation and deposition (PIIID). The total thickness of the TiN/ZrO₂ multilayers was approximately 2 μm and the modulation period was varied from 8 to 400 nm. The as-deposited films were characterized by scanning electron microscopy (SEM), micro-hardness, friction, scratch and corrosion tests. The SEM result indicates that the structure of the TiN/ZrO₂ multilayers has a good periodicity. Micro-hardness testing results show that the hardness enhancement effect takes place at the specific period of 15 nm, 100 nm and 200 nm. In addition, the friction coefficient declined from 0.8 to 0.1-0.3 and the cut-through number was increased greatly. The critical load in the scratch test exceeds 100 N, which shows a high adhesion strength. Moreover, the corrosion resistance of the TiN/ZrO₂ multilayers was improved significantly at the modulation period of 100 nm and 200 nm.     

调制结构对TiN/TaN多层膜的生长行为及力学性能的影响

利用反应磁控溅射方法，制备了调制周期相同而调制比不同的TiN／TaN多层膜．利用XRD，HRTEM和纳米压痕仪分别对多层膜的结构、微观状态和力学性能进行了系统研究．结果表明：调制结构不仅改变多层膜的生长速率，而且能导致多层膜择优生长取向的变化；界面应力的存在使得薄膜生长速率随沉积层厚度的增加而下降；在TiN／TaN多层膜中存在着各自独立外延生长的[111]和[100]两种取向的调制结构，且具有不同的调制周期；调制周期为6nm左右的TiN／TaN多层膜的硬度与弹性模量分别提高约50％与30％；在调制比为3：1时，硬度最大值为34．2GPa，弹性模量为344．9GPa；根据结构和力学性能的分析结果，讨论了TiN／TaN多层膜的硬化机制．     

磁控溅射沉积Al/AlN纳米多层膜的摩擦学性能

纳米多层膜因具有优异的力学性能与抗摩擦磨损性能使其在摩擦学领域具有重要的应用价值。采用磁控溅射沉积法制备了Al、AlN单层薄膜与Al/AlN纳米多层膜,探讨了纳米多层化对薄膜的力学性能和摩擦学性能的影响。采用纳米压痕仪和摩擦磨损试验机测量评价薄膜的纳米硬度和摩擦学性能。结果表明:Al/AlN纳米多层膜具有良好的周期调制结构,多层膜中的大量界面能显著提高薄膜的力学性能与摩擦学性能。多层膜的硬度为8.8GPa,高于采用混合法则计算出的硬度值6.6GPa;多层膜具有软质Al层和硬质AlN层的交替结构,在摩擦过程中,硬质AlN层可以起到良好的承载作用,软质层可以起到良好的减摩作用。相对于Al单层薄膜或AlN单层薄膜,Al/AlN纳米多层膜具有较低的摩擦因数(0.15)和优异的抗磨损性能。     

Microstructure and nanoindentation hardness of Ag/Fe multilayers

Ag/Fe multilayers with well compositional modulation periodicity of 4-60 nm were prepared at room temperature by evaporation deposition using an ultra high vacuum (UHV) chamber. Their microstructure and hardness were investigated using XRD, TEM and nanoindentation. The fcc/bcc type multilayers show a textured polycrystalline growth with Ag (111) and Fe (110) in Ag layers and Fe layers, respectively. The hardness increases with decreasing periodicity and approaches the maximum of 6.36 GPa at the periodicity ...