金属/高熵合金纳米多层膜的制备、微观结构及力学性能研究进展

通过表面防护涂层技术制备综合力学性能与摩擦性能优异的涂层材料,对降低构件因碰撞摩擦磨损所引起的损伤失效问题十分重要。相较于单层膜结构防护涂层,金属纳米多层膜涂层材料由于其微观组织结构的独特性与可控性,表现出优异的服役特性,且其综合性能可通过结合新组元或界面调控得到进一步提高,因此该类材料受到了广泛关注。新颖的成分设计理念使得高熵合金具有独特的四大效应,即高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应和性能鸡尾酒效应,进而呈现出良好的综合性能。因此,在传统的双金属纳米多层膜结构材料中引入高熵合金组元,形成金属/高熵合金纳米多层膜,有望突破传统金属纳米多层膜的性能局限,极大地提高多层膜结构材料的力学性能。从功能基元序构的视角,围绕近几年金属/高熵合金纳米多层膜的相关研究,首先介绍了其制备方法和工艺原理,针对功能基元微观结构特征,从晶粒形貌、界面结构、组元成分等方面进行了阐释,在此基础上论述了其力学行为以及相应的内在机制,并提出了调控金属/高熵合金纳米多层膜力学性能的优化策略,最后对金属/高熵合金纳米多层膜的未来研究方向和面临的挑战进行展望。     

纳米多层膜制备概述

纳米多层膜具有很多特殊性能，得到了广泛的应用。阐述了多种纳米多层膜的制备方法，主要包括电化学沉积法、物理和化学气相沉积法、溶胶-凝胶法、组装技术以及其它制备技术。大量研究和试验表明，不同的制备方法得到的多层膜具有其特殊的性能。     

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。     

c-AlN的生长对AlN/(Ti,Al)N纳米多层膜力学性能的影响

采用反应磁控溅射制备了具有不同调制周期的AlN／(Ti，Al)N纳米多层膜，研究了亚稳相立方氮化铝(c—AlN)在纳米多层膜中的生长条件及其对薄膜力学性能的影响．结果表明：在小调制周期下AlN以立方结构存在，并与(Ti，Al)N层形成同结构共格外延生长，使纳米多层膜产生较大的品格暗变．与此相应，AlN／(Ti，Al)N纳米多层膜硬度和弹性模量随调制周期的减小呈单调上升的趋势，当调制周期小于8～10nm时其增速明显增大，并在调制周期为1．3nm时达到最高硬度29．0GPa和最高弹性模量383GPa,AlN／(Ti，Al)N纳米多层膜的硬度和弹性模量在小调制周期时的升高与亚稳相c—AlN的产生并和(Ti，Al)N形成共格结构有关。     

磁控溅射SiC／W纳米多层膜的微结构研究

用磁控溅射法在Ｓｉ基底上制备了不同调制波长的ＳｉＣ／Ｗ纳米多层膜。利用小角度Ｘ射线衍射技术，详细研究了其中典型的多层膜的调制周期性。各子层的厚度及界面平整度等界面微观结构。结果表明：磁控溅射法制备的纳米多层膜具有较好的周期结构及陡峭的界面梯度，由衍射峰位置计算出的界面不均匀旗与子层厚度之比一般在５％以内。     

失配位错对Cu/Ni多层膜力学性能的影响

通过对Cu／Ni多层膜纳米压痕过程的二维分子动力学模拟,研究了失配位错对多层膜力学性能的影响。结果表明,失配位错网对滑移位错的阻碍作用使Cu／Ni多层膜得以强化,并且这种强化作用依赖于多层膜的调制波长(相邻两膜层的厚度之和)。当调制波长大于临界值λc时,失配位错的应力场随膜层厚度变化不大;当调制波长小于临界值λc时,失配位错的运动导致了界面处的应力集中,从而使多层膜的力学性能下降。为了优化多层膜的力学性能,临界调制波长要大于在单膜层内产生位错的深度。     

纳米多层膜的硬度研究进展

由两种不同材料交替生长而成的纳米多层膜,其硬度出现增强现象,在调制周期一定范围内出现极大值。这一现象有理论研究意义和实际应用价值。综合评述了硬度增强理论和应用的研究结果,展望了未来的研究发展方向。     

AlN/TiSiN纳米多层膜的微观组织和力学性能研究

采用TiSi复合靶和Al靶,用射频磁控溅射工艺沉积不同TiSiN层厚度的AlN/TiSiN纳米多层膜。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)和纳米压痕仪研究了不同TiSiN层厚度对AlN/TiSiN纳米多层膜的微观组织和力学性能的影响。结果表明,随着TiSiN层厚度的增加,AlN相的结晶程度先增加后降低,涂层的硬度先提高后降低,当TiSiN层厚度为0.5nm时具有最高的硬度和弹性模量。HRTEM观测可知,在TiSiN层厚度为0.5nm时,TiSiN层在AlN层的模板作用下呈密排六方结构,并与AlN层呈共格外延生长,薄膜的强化主要与共格外延生长结构有关。     

Ti-Si-N纳米多层膜的研究进展

TiN存在高温氧化不良、固有脆性等缺点。将硅混合到TiN网络中,形成Ti-Si-N纳米多层膜,此纳米多层膜的硬度有了显著的提高。Ti-Si-N纳米多层膜是一类有着广阔应用前景的新材料,它在涂料、航空航天工业、电子器件等众多领域都有着广泛的应用。尤其在硬质合金刀具领域,较高的硬度、较好的耐磨性和韧性能够延长刀具的使用寿命。Ti-Si-N纳米多层膜制备方法有物理气相沉积和化学气相沉积两大类。物理气相沉积法是原材料在腔体的一端蒸发,然后沉积在腔体另一端较冷的基体上的方法。化学气相沉积在高温下发生化学反应,使钛、硅、氮原子发生重新组合,在基体表面生成Ti-Si-N纳米多层膜。与物理气相沉积方法相比,化学气相沉积方法需要的温度更高,并且化学反应中存在SiH 4等危险性气体,不适合大规模工业生产。Ti-Si-N纳米多层膜的性能主要受Si含量、调制周期和热处理温度等影响。随着Si含量的增加,纳米多层膜的性能先增强后减弱,Si含量在2.76%(质量分数)时,纳米多层膜硬度最大,摩擦系数最小。不同调制周期的多层膜性能优于单层膜,调制周期为0.7 nm时,纳米多层膜硬度达到28.7 GPa,弹性模量为301.1 GPa。随着退火温度的升高,纳米多层膜的附着性先增强后减弱,温度在800～950℃时,纳米多层膜硬度达到(49.7±0.83) GPa,结合力为83 N。纳米多层膜有超硬性,耐磨性和耐高温氧化性。对于纳米多层膜的超硬性,不同学者提出了不同的强化理论:交变应力场、模量差和Hall-petch强化理论;通过摩擦磨损实验可以判断纳米多层膜的磨损机制;在TiN中加入Si,生成的Ti-Si-N纳米多层膜具有耐高温氧化性。     

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.     

金属材料表面自纳米化研究现状

综述了金属材料表面自纳米化技术的研究现状。表面机械加工自纳米化的原理是在一定的应力作用下，使金属材料表面层产生剧烈的塑性变形，导致晶粒细化。晶粒的细化机理主要取决于金属材料的晶格结构和层错能；表面自纳米化能显著提高金属材料的综合性能。展望了表面自纳米化技术的发展前景。     

石墨烯/金属复合材料力学性能的研究进展

综述了石墨烯/金属复合材料在力学性能研究方面的现状、进展及发展趋势,讨论了线弹性非均质材料的微观力学模型在阐明石墨烯强化机制中的作用,着重阐述了石墨烯的结构完整性以及分散方法的选择等对于提高石墨烯/金属复合材料力学性能的重要性,归纳了当前石墨烯强化金属基复合材料研究存在的问题,并从原料研制、理论探索、工艺开发和协同增强等方面指出了石墨烯/金属复合材料力学性能的研究趋势。     

塑性变形对铸态AZ31镁合金组织和性能的影响

为了研究塑性变形对铸态镁合金组织和性能的改善作用,用铸态AZ31镁合金进行了等温压缩实验,并测试了原始试样和变形后试样的组织和性能.结果表明:铸态AZ31合金通过塑性变形可以显著细化晶粒;随变形温度的升高,变形所得试样抗拉强度下降;在同一温度下变形所得试样抗拉强度随变形程度的增加而升高,变形程度达到一定值后,抗拉强度不再升高并有下降的趋势;铸态AZ31合金低温变形(210～240℃)后,可大幅度提高其抗拉强度.     

块体纳米金属材料力学性能研究进展

简要评述了提高块体纳米金属材料的力学性能的最新研究进展,包括强度、弹性、延展性、应变强化、应变速率敏感性、蠕变、疲劳和摩擦磨损性能;总结了优化其综合力学性能的研究结果;分析了其变形机理,并探讨了纳米金属材料力学性能研究的发展趋势.     

不同厚度纳米Ti薄膜的力学性能

通过直流磁控溅射方法制备出四个不同厚度的纳米Ti薄膜,并分别采用纳米压痕仪、电子薄膜应力分布测试仪研究了Ti薄膜的力学性能和残余应力大小,结合分形维数方法和原子力显微镜对薄膜表面粗糙度和表面形貌进行了分析。实验结果表明:随Ti薄膜厚度的增加,薄膜晶粒尺寸逐渐增大,表面粗糙度和残余应力值随厚度的增加先增大后减小,而Ti薄膜弹性模量和硬度随薄膜厚度增加呈现出先减小随后增大的趋势。当薄膜厚度为600,2400,3600nm时薄膜中存在残余压应力,厚度为1200nm时存在残余拉应力,薄膜中残余应力分布最为均匀,但此时薄膜具有较低的硬度和弹性模量值。分析得出Ti薄膜中存在残余拉应力会使薄膜硬度和弹性模量值变小,残余压应力反之。     

孪晶对Cu的力学和电学性能影响的研究进展

金属Cu中孪晶的作用已受到广泛关注.介绍了孪晶的分类及晶体学结构,综述了孪晶对Cu强度、塑性、加工硬化、应变速率敏感性、变形机制和电阻率(或电导率)等方面的影响规律及内在机理,讨论了孪晶Cu研究的不足之处及需要加强的方面,并指出通过适当的工艺技术,在晶粒中引入高密度的孪晶同时获得高强度、高塑性和良好电导性能,将是未来发...     

ELID磨削砂轮表面氧化膜力学性能

砂轮表面的氧化膜对保证在线电解修整（ELID）磨削的非线性电解以及对改善磨削表面质量都具有极其重要的作用.利用纳米压痕技术研究了氧化膜的硬度、弹性模量及刚度.研究结果表明,氧化膜的硬度约为210MPa,是基体硬度的1/4-1/3,使氧化膜有效地隔离了基体与工件,避免基体划伤磨削表面;氧化膜弹性模量约为30-50 GPa,是基体弹性模量的1/6-1/3,因此弹性变形更易发生,有利于磨粒的协同性与等高性;氧化膜刚度约为15μN/nm,由于氧化膜的动态更新,其值与磨削参数有关.在精密磨削时,由于氧化膜发生弹性变形,减小了磨粒的出刃高度和磨削深度,使磨削表面质量得到改善.     

铁电材料的纳米尺度压电响应力显微术研究进展

压电响应力显微术是在原子力显微镜的基础上,利用材料自身逆压电效应来探测样 品表面形变的一类技术总称.现已作为铁电材料研究的重要手段,应用于纳米尺度畴结构的三 维成像、畴结构的动态研究、畴结构控制和微区压电、铁电、漏电等物理性能表征等领域.本 文就近年来利用压电响应力显微术对铁电材料的研究方面作一综述.     

应用纳米压痕法测定柱状纳米材料的力学特性（英文）

纳米压痕法在确定纳米结构材料,特别是具有较大高宽比的一维纳米结构/对象的力学特性时,若纳米结构沿压入方向的等效刚度远小于针尖-样品的接触刚度,应用常规数据分析(Oliver-Pharr)模型会导致较大的测量偏差.对常规Oliver-Pharr解析模型进行了推广,以补偿一维纳米材料等效刚度对测量结果的影响,进而提出了适用于此类测量对象的通用纳米压痕分析模型,并应用于分析柱状微纳米结构的准静态压痕测量数据.实验中应用原子力显微镜(AFM)定量测量了湿法刻蚀获得的一维单晶硅柱状结构的几何参数(包括硅纳米柱的直径和长度).实验结果表明,应用常规模型分析对较大高宽比的硅纳米柱(直径386 nm,长500 nm)的压痕数据会导致大于50%的偏差.应用修正模型分析实验数据时,测量结果不受被测对象几何参数的影响,因而可以有效提高应用纳米压痕法对微纳米结构材料,特别是一维材料的测量精度.