金属纳米多层膜力学性能研究进展

新型功能材料及器件向小型化,集成化和复合化发展的趋势,使得尺寸在纳米尺度的层状材料和柔性多层器件在使用过程中的服役行为成为其发展的关键科学问题。本文结合作者近几年对Ag/M系列和Cu/M系列多层膜力学性能的研究工作,对金属纳米多层膜的微结构特征及其对力学性能的影响进行了回顾和总结,主要包括多层膜的晶粒形貌对其强化机制和塑性变形行为的影响,组元强度错配对多层膜硬化行为的影响,界面结构与其强度极值的关系、不对称界面结构引起的异常弹性模量增强和多层膜的室温蠕变机制及界面结构对蠕变性能的影响等几个方面,并对多层膜的力学性能研究进行了展望。     

超硬多层薄膜的研究现状及展望

由于超硬多层薄膜的性能随调制周期的变化而发生变化,在某一范围出现超硬等异常效应.其潜在的实际应用价值及理论意义,使其成为近年来人们研究的热点.本文综述了近年来国内外超硬多层薄膜的研究结果,介绍了其分类、主要性能特点以及制备工艺,并对超硬多层薄膜以后的发展趋势进行了展望.     

不同退火温度下Cu/Ni纳米多层膜的结构与力学性能稳定性

为研究不同退火温度下Cu/Ni纳米多层膜的结构与力学性能稳定性,采用电子束蒸发镀膜技术在Si(100)基片上沉积不同周期(Λ为4,12,20 nm)的Cu/Ni多层膜,在真空条件下对试样进行温度为200℃和400℃,时间为4 h的退火处理,分析了沉积态(未退火态)与退火态Cu/Ni多层膜纳米压痕硬度、弹性模量与微结构的演变,讨论了不同调制周期Cu/Ni多层膜的热稳定性。结果表明:200℃下4 h退火后,Λ为4,12和20 nm的Cu/Ni多层膜均保持了硬度与弹性模量的热稳定性。而在400℃下4 h退火后,Λ为12 nm的Cu/Ni多层膜出现了硬度和弹性模量的软化现象,硬度由6.21 GPa降低至5.83 GPa,弹性模量由190 GPa降低至182 GPa。这是由于共格界面被破坏,界面共格应力对Cu/Ni多层膜力学性能贡献作用削弱导致的。     

CrAlTiN及CrAlTiSiN纳米多层复合涂层的制备及力学性能

以金属Cr和AlTi合金为靶材料,在沉积过程中引入SiH4气体,用自行设计的多靶阴极电弧离子镀系统在单晶硅和硬质合金衬底上沉积了CrAlTiN和CrAlTiSiN硬质涂层.通过X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)分析涂层的组织和形貌,结果表明:衬底偏压和反应气体流量对膜层的力学性能有较大影响,在优化条件下得到CrAlTiN涂层的硬度为29 GPa.且CrAlTiSiN涂层为CrSiN和AlTiSiN组成的纳米多层复合涂层,随着SiH4流量的增加,薄膜中的硅含量明显增加,在优化条件下,涂层的显微硬度达到37 GPa,摩擦因数为0.58.刀具涂层检测试验表明,涂覆CrAlTiN涂层的铣刀使用寿命可提高3倍,而CrAlTiSiN涂层较CrAlTiN涂层还会进一步提高刀具使用寿命.     

Cu-Au多层膜力学性能的纳米压痕测试

采用纳米压痕仪研究了Cu-Au多层膜的硬度、弹性模量及其在压头下的变形行为。结果表明,随单层膜厚度(h)的减小,Cu-Au多层膜的弹性模量略有减小。Cu-Au多层膜的硬度随单层膜厚度的减小而增加,当h≥50 nm时,硬度随 线性增加;当h<50 nm时,硬度与 偏离了原来的线性关系,且硬度随 的增大而增大的趋势开始弱化。在单层膜厚度为25 nm的Cu-Au多层膜的压痕附近,出现了“挤出”和剪切带。     

NbMoWTa/Ag自润滑纳米多层膜的力学性能及摩擦学行为∗

为提高高熵合金薄膜 NbMoWTa 的耐磨减摩性能,采用磁控溅射技术在 Si 基体上制备具有不同调制波长的 NbMoWTa / Ag 纳米多层膜,利用 XRD、SEM 和 TEM 等对纳米多层膜进行表征,分析其硬度和摩擦学性能。 结果表明不同调制周期结构的纳米多层膜结晶性良好。 多层膜硬度随着单层膜厚度 (100~ 5 nm)的降低而增加(5. 62 ~ 8. 39 GPa),在单层膜厚度减小到 20 nm 时,其塑性变形机制由位错在界面处的堆积机制转变为位错穿越界面运动机制;在尺寸小于 10 nm 时,多层膜的硬度接近于高熵合金 NbMoWTa 单质膜 (10. 93 GPa),这可能由随着单层厚度的降低引起 NbMoWTa 膜与 Ag 膜之间界面由半共格向共格转变所引起。 同时,通过摩擦磨损试验获得纯 NbMoWTa 薄膜的摩擦因数为 0. 49,磨损率为 1. 75×10^-5 mm³N^-1m^-1 ;单层膜厚度为 5 nm 的多层膜的摩擦因数为 0. 23,磨损率为 2. 19×10^-5 mm³N^-1m^-1 。 在 NbMoWTa 中添加 50%的 Ag 制备而成的纳米多层膜有共格强化效应,保证了其高硬度高强度的同时,由多层设计实现了耐磨和自润滑的协同控制。     

硬质多层膜研究进展

总结了硬质多层膜改善力学性能、摩擦性能、高温氧化性能、腐蚀性能的方法及进展,指出了有效途径.     

AlN/Si3N4纳米多层膜的显微结构及力学性能

采用射频磁控溅射方法制备了AlN、Si3N4单层薄膜和调制比为1的不同调制周期的AlN/Si3N4纳米多层膜。薄膜采用X射线衍射仪、X射线反射仪、高分辨率透射电子显微镜、原子力显微镜和纳米压痕仪进行表征。结果表明：AlN是多晶,Si3N4呈非晶,多层膜的界面非常尖锐;单层膜及多层膜均呈岛状生长,多层膜的表面粗糙度介于两单层膜之间,并且随着调制周期的增加,粗糙度下降;多层膜在所研究的层厚范围内,硬度值比根据混合法则计算得到的值高3.5GPa左右,没有出现超硬效应。     

刀具表面超晶格TiN/AlN纳米多层膜的制备及性能的研究

采用脉冲多弧离子镀技术制备TiN／AlN纳米多层膜，对该薄膜的结构研究表明，随着调制周期的减小，稳定态六方AlN相逐渐转变成亚稳态立方AlN相，形成以TiN／AlN超晶格结构为主的薄膜。并从与标准图谱的对比中可知．TiN／AlN超晶格是AlN在立方TiN簿膜的影响下，在TiN层上以亚稳态相立方结构外延生长所形成。另研究显示，TiN／AlN薄膜具有一定的超硬效应以及在硬质合金刀具上优良的使用性能。     

DLC基纳米多层膜摩擦学性能的研究进展与展望

类金刚石（DLC）薄膜是一种良好的固体润滑剂,能够有效延长机械零件、工具的使用寿命。DLC基纳米多层薄膜的设计是耐磨薄膜领域的一项研究热点,薄膜中不同组分层具备不同的物理化学性能组合,能从多个角度（如高温、硬度、润滑）进行设计来提升薄膜力学性能、摩擦学性能以及耐腐蚀性能等。综述了DLC多层薄膜的设计目的与研究进展,以金属/DLC基纳米多层膜、金属氮化物/DLC基纳米多层膜、金属硫化物/DLC基纳米多层膜以及其他DLC基纳米多层膜为主,对早期研究成果及现在的研究方向进行了概述。介绍了以上几种DLC基纳米多层膜的现有设计思路（形成纳米晶/非晶复合结构、软/硬交替沉积,诱导转移膜形成,实现非公度接触）。随后对摩擦机理进行了分析总结：1）层与层间形成特殊过渡层,提高了结合力;2）软/硬的多层交替设计,可以抵抗应力松弛和裂纹偏转;3）高接触应力和催化作用下诱导DLC中的sp3向sp2转化,形成高度有序的转移膜,从而实现非公度接触。最后对DLC基纳米多层膜的未来发展进行了展望。     

超硬薄膜研究的新进展

本文介绍了碳系列薄膜、纳米多层及纳米复合超硬薄膜近年来所取得的研究成果，重点是氮化物纳米多层与复合超硬薄膜的研究状况，并对纳米多层膜在应用中存在的问题提出了解决的思路，指出了超硬薄膜的发展趋势。     

电磁离心铸造对高铬铸铁力学性能的影响

试验采用电磁离心铸造方法浇注高铬铸铁试样,并同常规浇注的试样进行比对.结果表明:电磁离心铸造获得试样的组织明显细化,晶粒数量增多,晶粒尺寸变小,力学性能提高.当离心转速为1 500 r/min,磁感应强度为0.5T时,电磁离心铸造铸态试样的硬度为HRC 55.3,冲击韧度为6.87 J/cm2.铸造硬度较常规试样提高10％,冲击韧度提高8％,相对耐磨性β较常规浇注试样提高5％.     

镍磷合金镀层表面强化性能的获得

镍磷合金化学镀是一项很有应用前途的表面强化技术,其镀层具有良好的性能。本文研究了镍磷合金镀层的显微硬度和耐磨性能,结果表明,镀层的性能和磷含量有关,还受到热处理的影响,且硬度和耐磨性变化并不一致,实际应用需选择恰当的工艺参数,以获得最佳的表面强化性能。     

力学探针及其在薄膜力学性能测量上的应用

力学探针是近年来发展的一种先进的微区力学性能测试方法。本文介绍了力学探讨的工作原理，以及采用力学探针技术准确测量薄膜力学性能的两步压入法，展示了这种测试技术在材料力学性能评价上的明显优势和发展潜力。     

磁控溅射沉积硬韧 ZrAlN 薄膜及薄膜力 学性能

目的获得具有高硬度、高韧性的ZrAlN薄膜。方法采用磁控溅射技术在钛合金和单晶Si上沉积不同Al含量的ZrAlN薄膜,对薄膜的微观组织和相结构进行表征,并测试薄膜的硬度(H)、弹性模量(E)和断裂韧性(KIC)。结果当Zr1-xAlxN薄膜x分别为0.05,0.23,0.47,0.63时,对应的硬度依次为24.5,40.1,17.1,19.1 GPa,断裂韧性依次为1.47,3.17,1.13,1.58 MPa·m-0.5。x为0.05和0.23时,Al固溶到ZrN晶粒中,形成NaCl型面心立方(FCC)结构;x为0.47和0.63时,则形成纤锌矿密排六方(HCP)AlN第二相。结论 ZrAlN薄膜的硬度和韧性与相组成密切相关。Al固溶时,ZrAlN的硬度较高,韧性较好;超过固溶极限,形成六方AlN时,ZrAlN硬度较低,韧性较差。相比之下,Zr0.77Al0.23N薄膜同时具备最高的硬度和最高的韧性。     

脉冲偏压频率对TiSiN/TiAlN纳米多层膜结构和性能的影响规律

目的 研究脉冲偏压频率对TiSiN/TiAlN纳米多层薄膜结构和性能的影响,优化工艺参数,以提高薄膜的性能.方法 采用脉冲偏压电弧离子镀,在M2高速钢和单晶硅基底上以不同脉冲偏压频率沉积TiSiN/TiAlN纳米多层薄膜,采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪和纳米压痕仪,研究脉冲偏压频率对TiSiN/TiAlN纳米多层薄膜的表面形貌、元素成分、截面形貌、相结构和纳米硬度的影响.结果 TiSiN/TiAlN纳米多层薄膜表面的大颗粒直径主要集中在1μm以下,随着脉冲偏压频率的变化,大颗粒的数量为184～234,所占面积为40.686～63.87μm2;主要元素为Ti元素和N元素,所占原子比分别为48％和50％,Si和Al元素的含量较少;多层结构不明显,截面形貌可观察到柱状晶的细化,80 kHz时出现片状化结构;以(111)晶面为择优取向,晶粒尺寸在20 nm左右;纳米硬度为28.3～32.3 GPa,弹性模量为262.5～286.8 GPa.结论 50 kHz时,TiSiN/TiAlN纳米多层薄膜表面大颗粒的数量最少,为184个;70 kHz时大颗粒所占面积最小,为40.686μm2;晶粒尺寸在50～60 kHz时发生细化,60 kHz时,晶粒尺寸达到最小值19.366 nm,纳米硬度和弹性模量分别达到最大值32.3 GPa和308.6 GPa,脉冲偏压频率的最佳频率范围为50～70 kHz.     

电沉积Ni-Mo镀层不同温度退火前后微观组织与力学性能研究

目的 提高Ni基镀层的高温热稳定性与硬度。方法 在酸性条件下,通过直流电沉积的方式,在黄铜基体表面制备不同Mo含量的Ni-Mo镀层,研究不同浓度的二水钼酸钠(20、40、60 g/L)以及不同温度的退火处理(300、400、500 ℃)对Ni-Mo镀层微观组织及硬度的影响规律。通过XRD、SEM、EDS以及纳米压痕仪等设备对镀层的微观组织与性能进行表征。结果 随着镀液中钼酸钠含量的增加,镀层中Mo含量也会逐渐提高,晶粒尺寸减小,结晶度下降。随着退火温度的提高,晶粒尺寸增大,镀层开始从非晶态向晶态转变。同时物相分析表明,镀层中Ni、Mo是以固溶体的形式存在,起到了固溶强化的作用,增加了材料的硬度。通过纳米压痕试验,发现镀层的硬度随着钼含量的增加而提高。Mo含量较低时,镀层硬度随着退火温度的升高而降低;Mo含量较高时,镀层硬度随着退火温度的升高出现先升高后降低;但两种情况下镀层的硬度均远高于基体铜片。结论 与沉积态相比,经300 ℃退火处理后,Ni-Mo镀层硬度未呈现显著变化;500 ℃退火处理后,镀层硬度则有所降低。因此,Mo元素的加入可以提高Ni基镀层的热稳定性与力学性能。     

PECVD制备DLC复合薄膜性能及模具应用

目的比较分析CrN过渡层与不同膜厚对DLC薄膜性能的影响,以及涂层模具的成型特性。方法采用PECVD方法在718合金试样及模具表面沉积Cr N/DLC复合膜,预设Cr N过渡层厚度为0.2μm,DLC膜层厚度为0.5～1.2μm。采用无损设备对不同沉积时间(10、15、20、25、30、35 min)的薄膜厚度进行表征,并使用扫描电子显微镜(SEM)观察薄膜表面及截面结构特征。采用拉曼光谱(Raman)分析不同厚度DLC膜的峰位信息以及sp3-C/sp2-C的比例关系,用纳米压痕仪表征膜层硬度,用硬度计分析膜/基结合力,用轮廓仪表征薄膜表面特征,并探讨膜厚对薄膜性能的影响机制。结果薄膜的厚度值在预设范围以内,该方法制备的薄膜结构致密,表面光滑,无分层、凹坑、液滴粘附等缺陷。随涂层厚度的增加,薄膜中sp3-C/sp2-C的比例呈先减小后增大的趋势,G峰也先向D峰靠近,而后远离。薄膜硬度同样随膜层厚度的增加呈先增加后减小的趋势,1.06μm厚的Cr N/DLC膜的硬度最高(3600HV)。薄膜的结合力等级最高可以达到工业级的HF2。表面轮廓无较大波动,表面粗糙度Ra最低可达0.011μm。1.06μm CrN/DLC涂层模具的成型寿命是未涂层模具的3倍以上。结论对橡胶模具而言,适当厚度的DLC微/纳涂层处理可以起到一定的减磨、抗腐蚀效果,降低模具本体表面润湿性,保证橡胶件成型质量。     

不同掺杂对类金刚石薄膜的影响

目的研究单掺Si和共掺Ag、Si对类金刚石薄膜的结构、摩擦学性能和耐腐蚀性能的影响。方法以高纯石墨靶、石墨与金属复合靶、Si靶作为靶材,采用射频增强磁控溅射技术制备不同掺杂种类的薄膜。通过XPS、拉曼光谱仪对薄膜的化学组成和结构进行分析,通过纳米压痕仪、摩擦磨损试验机、电化学工作站等,对薄膜的力学性能、摩擦学性能及耐腐蚀性能进行了系统研究。结果 Si元素单掺DLC会引起薄膜中sp~3C含量增加。Ag、Si共掺DLC后,由于Ag以金属相分布在薄膜中,并促进sp~2相的形成,导致sp~3C含量降低。掺杂元素后的DLC薄膜,硬度下降,但韧性提高,其中Ag、Si共掺的DLC薄膜的弹性恢复系数达到79%。此外,Ag、Si共掺DLC薄膜在多种气氛(Ar、O_2、N_2)中都具有优异的摩擦学性能,磨损寿命均超过30 min,其中在N_2气中的摩擦系数最低(0.1),并在NaCl溶液中的腐蚀电流密度比304不锈钢基体降低了近2个数量级,具有良好的耐腐蚀性。结论 Si与Ag共掺DLC薄膜较Si单掺薄膜具有更好的摩擦环境适应性和耐腐蚀性能。