离子轰击能量对ZrN/TiAlN纳米多层膜性能的影响

使用超高真空离子束辅助沉积系统(IBAD)制备一系列具有纳米调制周期的ZrN/TiAlN多层膜,研究了离子辅助轰击对薄膜性能的影响.结果表明:离子辅助轰击使大部分ZrN/TiAlN多层膜的纳米硬度和弹性模量值高于两种个体材料硬度的平均值;离子的轰击和薄膜表面原子与轰击离子之间的动量传输提高了薄膜的致密度;当轰击能量为200 eV时,多层膜的硬度最高(30.6 GPa),弹性模量、表面粗糙度和摩擦系数等也明显改善.     

ZrN/WN纳米多层膜的结构与性能研究

选择锆和钨的氮化物作为个体层材料,利用超高真空射频磁控溅射系统制备ZrN、WN及一系列的ZrN/WN多层薄膜.通过XRD,SEM和纳米力学测试系统分析了该体系合成中调制周期与ZrN、WN单层厚度比例(tZrN/tWN)对多层膜结构与机械性能的影响.结果表明:大部分多层膜的纳米硬度与弹性模量值都高于两种个体材料硬度的平均值;当调制周期Λ=30nm,tZrN:tWN=2:3时,结晶出现多元化,多层膜体系的硬度、应力以及弹性模量均达到最佳效果.多层膜的机械性能改善明显与其多层结构和多晶结构有直接的联系.     

离子束流和基底温度对ZrN/TiAlN纳米多层膜性能的影响

本文利用高真空离子束辅助沉积系统(IBAD),在室温下制备了ZrN、TiAlN和一系列ZxN/TiAlN纳米多层膜,利用XRD、纳米力学测试系统和多功能材料表面性能实验仪,分析了束流和基底温度对薄膜的微结构和机械性能的影响.结果表明大部分多层膜的纳米硬度与弹性模量值都高于两种个体材料硬度的平均值,当辅助束流为5 mA时,多层膜硬度达到30.6 GPa.基底温度的升高,会显著降低薄膜的残余应力,但对薄膜的硬度,摩擦系数没有明显影响.     

ZrN/W2N纳米多层膜的调制比对其性能的影响

利用射频磁控溅射系统制备了调制周期为30 nm的具有不同调制比例的ZrN/W2N纳米多层膜。研究表明:ZrN/W2N纳米多层膜的界面清晰,通过把ZrN周期性地插入到W2N层,多层薄膜的整体应力得到缓解。在调制比tZrN∶tW2N=2∶3时,纳米多层膜的应力值最小。多层膜的硬度和弹性模量基本高于ZrN和W2N单层材料的平均值,随着调制比的减小,它们的值均有上升趋势,并在tZrN∶tW2N=2∶3时分别达到最高值34 GPa和424 GPa,同时多层膜的膜基结合强度也达到最佳效果,其临界载荷超过了100 mN。多层膜的机械性能改善明显与其调制层结构和多晶结构有着直接的联系。     

多弧离子镀Zr/ZrN多层膜的力学性能研究

采用多弧离子镀膜法制备了Zr N单层膜和不同调制比的Zr/Zr N多层膜,研究了调制比对多层膜力学性能的影响。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜和微米压痕仪分别测试了薄膜的物相结构、表面形貌、硬度和结合力。结果表明：多层膜中Zr N有较高的结晶度,膜层表面形貌平整,组织结构致密,分布有球状Zr颗粒;Zr/Zr N多层膜的硬度高于单层Zr N薄膜,并随着调制比的增加先增大后减小,调制比为1∶1时,Zr/Zr N多层膜的硬度达到1541.58Hv,结合力为51.61N。     

调制周期对ZrB_2/WNx纳米多层膜的机械性能和结构的影响

本文利用高真空离子束辅助沉积系统(IBAD)在室温下制备了ZrB2、WNx和一系列ZrB2/WNx纳米多层膜,利用XRD、SEM、XP-2台阶仪、纳米力学测试系统表征了薄膜的微结构和机械性能,分析了调制周期对薄膜结构与机械性能的影响。结果表明:ZrB2具有典型的六角相及WNx为六方与立方混合相结构,ZrB2/WNx的多层膜则呈现多晶结构。所有多层膜的纳米硬度与弹性模量值都高于两种个体单层膜材料值。当调制周期Λ=9.6 nm,轰击能量为200 eV时,ZrB2/WNx的多层膜显示出最高的硬度(30.2 GPa)和弹性模量,内应力和划痕测试等机械性能也取得较好的结果。     

TiAlN/VN纳米多层膜的微结构与力学和摩擦学性能

采用反应磁控溅射制备了TiAlN/VN纳米多层膜, 并使用X射线衍射分析(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、纳米压痕仪和多功能摩擦磨损试验机对多层膜的微结构与力学和摩擦学性能进行了表征和分析。研究结果表明: 不同调制周期的TiAlN/VN多层膜均呈典型的柱状晶生长结构, 插入VN层并没有打断TiAlN涂层柱状晶的生长。在一定调制周期下, TiAlN/VN纳米多层膜中的TiAlN和VN层之间能够形成共格生长结构, 其硬度和弹性模量相比于TiAlN单层膜均有显著提升, 其中, TiAlN (10 nm)/VN (10 nm)的硬度和弹性模量最大增量分别达到39.3%和40.9%。TiAlN/VN纳米多层膜的强化主要与其共格界面生长结构有关。另外, TiAlN单层膜的摩擦系数较高(~0.9), 通过周期性地插入摩擦系数较低的VN层能够使得TiAlN的摩擦系数大大降低, TiAlN/VN纳米多层膜的摩擦系数最低为0.4。     

调制周期对TiB_2/TiAlN纳米多层膜机械性能的影响

利用射频磁控溅射技术,在室温下合成了具有纳米调制周期的TiB2/TiAlN多层膜.分别采用表面轮廓仪、纳米力学测试系统、多功能材料表面性能实验仪和XRD,分析了调制周期对TiB2/TiAlN纳米多层膜机械性能的影响.结果表明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料混合相的值,在调制周期为25 nm时,多层膜体系的硬度超过了36GPa,性能达到较佳效果.     

调制周期对ReB2/TaN纳米多层膜的结构和力学性能影响

利用射频磁控溅射方法(衬底温度20℃)制备TaN,ReB2单层膜及ReB2/TaN纳米多层膜,并通过XRD,SEM,XP-2表面轮廓仪及纳米力学测试系统对薄膜的微结构和力学性能进行表征,分析调制周期对其影响.结果表明:TaN和ReB2均具有典型的六方结构,在其构成的多层膜中,当调制周期达到8～12nm附近时,纳米多层膜...     

Ar/N2气体比例对ZrN/WN纳米多层膜的结构和性能的影响

选择Zr和W的氮化物作为个体层材料,利用FJL560CI2型超高真空射频磁控与离子束联合溅射系统制备ZrN,WN及一系列的ZrN/WN多层薄膜.通过X射线衍射仪,俄歇电子能谱和纳米力学测试系统分析了该体系合成中Ar/N2气体比例对多层膜结构与机械性能的影响.结果表明多层膜的纳米硬度值普遍高于两种个体材料混合相的硬度值;当流量比FArFN2=5时W2N的(111)峰加强并出现(200)峰,结晶出现多元化,多层膜体系的硬度、应力、弹性模量以及膜基结合性能均达到最佳效果.     

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.     

CrN/ZrN纳米多层膜的合成及其结构和性能的研究

利用非平衡直流磁控双靶溅射在不同的基底转速(4～11r/min)和不同反应气体流量下制备一系列的具有纳米周期的CrN/ZrN多层膜.利用X射线衍射,俄歇电子能谱,X射线光电子能谱表征了薄膜的成分和结构,利用纳米力学测试系统以及摩擦磨损仪测量了薄膜的机械性能和摩擦磨损性能,分析了基底的转速、反应气体的种类及流量对薄膜结构与机械性能和摩擦磨损性能的影响.结果表明在氮中混入适量氨气条件下合成的具有小纳米周期的多层膜,其硬度可达32 GPa,磨损率可低到0.3865×10-5mm3/Nm,明显优于单质薄膜.低角度XRD分析证明了薄膜的多层结构.     

用IBAD方法合成ZrN/W纳米多层膜

本文利用高真空离子束辅助沉积系统（IBAD）在室温下制备具有纳米尺寸的ZrN／W多层膜，通过改变双靶的沉积时间，合成一系列的具有不同调制周期（3nm～10nm）的纳米多层膜。利用AES，XRD和纳米力学测试系统，表面形貌仪表征了薄膜的成分、结构和机械性能，分析了不同调制周期对薄膜结构与机械性能的影响。结果表明：多层膜的机械性能普遍优于两种个体材料的混合相；在调制周期为8．6nm时，显示出强的ZrN（111），W（110）织构和较弱的ZrN（220）峰，与其他条件下制备的样品比较，它具有较高的硬度（～26GPa），较高的弹性模量（-310GPa）和较强的膜基结合力（～80mN）。低角度XRD分析证明了薄膜的多层结构。     

工作气压和基底偏压对ZrB2/A1N纳米多层膜结构和机械性能的影响

利用射频磁控溅射技术在不同工作气压和不同基底偏压条件下在Si(100)基底上设计合成了ZrB2/AIN纳米多层膜.利用X射线衍射、扫描电子显微镜、纳米力学测试系统和表面轮廓仪分析了工作气压和基底偏压对薄膜的微结构和机械性能的影响.结果表明:大部分ZrB2/AlN多层膜的纳米硬度与弹性模量值高于两种个体材料的混合值.当工作气压为0.4Pa,基底偏压为-60V时,制备的薄膜具有最高的硬度(36.8 GPa)、最高的弹性模量(488.7 GPa)和最高的临界载荷(43.6mN).基底偏压的升高和工作气压的降低会使沉积粒子的动能提高,引起薄膜表面原子迁移率提高,导致薄膜的原子密度提高,起到位错钉扎的作用,晶粒尺度也被限制在纳米尺度,这些均对提高薄膜的硬度和抗裂强度起到了作用.     

工作气压和基底偏压对ZrB2/AlN纳米多层膜结构和机械性能的影响

利用射频磁控溅射技术在不同工作气压和不同基底偏压条件下在Si(100)基底上设计合成了ZrB2/AlN纳米多层膜。利用X射线衍射、扫描电子显微镜、纳米力学测试系统和表面轮廓仪分析了工作气压和基底偏压对薄膜的微结构和机械性能的影响。结果表明:大部分ZrB2/AlN多层膜的纳米硬度与弹性模量值高于两种个体材料的混合值。当工作气压为0.4Pa,基底偏压为-60 V时,制备的薄膜具有最高的硬度(36.8 GPa)、最高的弹性模量(488.7 GPa)和最高的临界载荷(43.6 mN)。基底偏压的升高和工作气压的降低会使沉积粒子的动能提高,引起薄膜表面原子迁移率提高,导致薄膜的原子密度提高,起到位错钉扎的作用,晶粒尺度也被限制在纳米尺度,这些均对提高薄膜的硬度和抗裂强度起到了作用。     

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。