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。     

多弧离子镀与磁控溅射共沉积TiN/TiCN多层膜的高温抗氧化性能

TiN/TiCN多层膜的高温抗氧化性研究对于扩大其应用领域具有重要作用,但目前鲜见相关报道。采用多弧离子镀与磁控溅射技术以不同调制周期在304不锈钢表面共沉积TiN/TiCN多层膜。采用XRD、XPS、倒置显微镜及高温氧化试验研究了多层膜的高温抗氧化行为。结果表明:TiN/TiCN多层膜表面光滑平整、均匀致密,薄膜主要为具有Ti-(C,N)键的fcc-TiN结构;随着调制周期的减小,TiN/TiCN多层膜生长取向发生转变,且具有(111)晶面生长织构;随着氧化温度的升高,多层膜的显微硬度逐渐降低,氧化增重速率不断增大,且在700℃之后变化速率较快,薄膜的开始氧化温度约为750℃;随着调制周期的减小,多层膜TiN与TiCN界面层数量增多,促使晶粒细化,提高了其致密性,还隔断了缺陷贯穿薄膜的连续性,显著降低了薄膜的孔隙率,致使O原子扩散困难,增强了薄膜的高温抗氧化性能。     

TiN/AlN纳米多层膜的制备及耐蚀性能

采用多弧离子镀技术制备了TiN/AlN纳米多层膜,并通过多层膜在酸中的浸泡试验及极化曲线测定,对比研究了TiN/AlN纳米多层膜和TiN薄膜的耐蚀性能.结果表明,由于TiN/AlN纳米多层膜中铝的钝化作用及薄膜的特殊层结构,TiN/AlN纳米多层膜比TiN薄膜具有更优良的耐腐蚀性能.     

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/TiCN多层调制结构薄膜的耐蚀性

多弧离子镀和磁控溅射制备薄膜各有优缺点,将2种技术复合制膜的研究还少有报道.采用多弧离子镀和磁控溅射复合技术在304不锈钢基体表面制备了TiN单层和TiN/TiCN多层膜,采用扫描电镜、X射线衍射仪并结合电化学测试等着重研究了不同调制周期下薄膜组织结构与耐腐蚀性能的变化规律.结果表明:所制备的TiN/TiCN多层膜表面平整、致密,随着调制周期的减小,TiN/TiCN多层膜发生生长取向的转变,且具有(111)晶面生长织构;TiN/TiCN多层膜在3.5 ％NaC1溶液中的抗腐蚀能力优于基体和单层TiN薄膜,随着多层膜调制周期的减小,其抗腐蚀性逐渐增强,在λ =0.150 μm时,多层膜的自腐蚀电流密度和极化电阻分别为0.106 7μA/cm2和679.700 kΩ·cm2,腐蚀速率下降到最低,具有良好的耐腐蚀性.     

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。     

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.     

TiN/VCN多层膜的力学性能及摩擦磨损性能研究

采用多靶磁控溅射技术, 制备了TiN、VCN单层膜及调制比为1:1的系列调制周期的TiN/VCN多层膜。利用X射线衍射仪、纳米压痕仪、高温摩擦磨损测试仪和扫描电子显微镜研究了各种薄膜的微结构、力学性能及室温和高温摩擦磨损性能。研究表明: TiN/VCN多层膜以δ-NaCl面心立方结构为主; TiN/VCN多层膜的最大硬度值为28.71 GPa, 约为按混合法则计算所得理论硬度值的1.23倍, 并据此分析了TiN/VCN多层膜的致硬机理; TiN/VCN多层膜在室温下摩擦系数与TiN单层膜摩擦系数相近, 但当环境温度为700℃时, 摩擦系数约0.4, 较TiN单层膜(0.52)低。TiN/VCN多层膜室温和高温下的磨损率相比TiN单层膜减小了约3×10^-14 m³/(N·m)。从晶体化学和热测量方法角度讨论了TiN/VCN多层膜的Magnéli相V₂O₅的润滑机制。     

等离子体基离子注入制备TiN膜的成分结构

采用Ti、N等离子体基离子注入和先在基体表面沉积纯钛层然后离子注氮混合两种方法在铝合金基体上制备了TiN膜.利用XPS分析了两种方法制备TiN薄膜的成分深度分布和元素化学价态,并用力学性能显微探针测试对比了TiN膜的纳米硬度.研究表明:两种方法制备的薄膜均由TiN组成,Ti、N等离子体基离子注入薄膜中Ti/N≈1.1,而离子注入混合薄膜中Ti/N≈1.3,Ti、N等离子体基离子注入薄膜表面区域为TiN和TiO2的混合组织,TiN含量多于TiO2,离子注入混合薄膜表面主要是TiO2;Ti、N等离子体基离子注入所制备的薄膜的纳米硬度峰值为12.26 GPa,高于离子注入混合的7.98 GPa.     

真空阴极离子镀法制备Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜

过去,在不锈钢上沉积10μm以上多元多层软硬交替Ti/TiN/Zr/ZrN厚膜用以提高材料耐腐蚀性能的报道不多.采用阴极电弧离子镀结合脉冲偏压的方法制备了厚度选15 μm的Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜.运用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、显微硬度计、划痕仪等考察了多层膜的形貌、厚度、相组成、硬度以及膜/基结合力,并利用电化学方法评价了基体、单层TiN薄膜以及多层膜的电化学腐蚀性能.结果表明:制备的Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜界面明晰、结构致密、晶粒细小;膜/基结合力大于70 N,显微硬度达28 GPa;多层膜比单层TiN膜在提高1Cr11Ni2W2MOV基体的抗腐蚀能力方面具有更显著的作用.     

铁氮化合物的制备及电磁性能

本文阐述了材料吸波性能的表征方法,利用固气反应原理制得铁氮化合物,通过XRD测试其生成产物,并对生成产物的电磁性能利用网络矢量分析法进行测试。通过研究发现:在550℃、氨氢比为1:1的条件下氮化5h制得的产物的电磁性能最佳。在1M～1.5GHz的频段内,铁氮化合物具有良好的电磁参数。     

铁氮合金Ms点的热力学计算

本文采用Ｆｉｓｈｅｒ模型我新的热力学数据，对纯铁和铁氮使金色民氏体转变点进行了计算，得出纯铁的Ｍｓ点为８３４Ｋ，铁氮合金马多体点与氮含量的关系可表达为：Ｍｓ（Ｋ）＝８４０－５９４５ＸＮａｔ％。     

RF溅射的Fe-N薄膜的磁导率研究

研究了用RF溅射法制备的Fe-N薄膜经过250℃磁场热处理后高频磁导率的变化情况.实验结果发现,在优化生长条件下生长的Fe-N薄膜样品,在1～10 MHz的频率范围内,易磁化方向的高频磁导率较小,但其难磁化方向的相对磁导率可以高达1500,并且基本恒定,说明这种Fe-N薄膜已能满足作为高密度存储写入头材料的要求.     

Reduction of Coercivity of Fe-N Soft Magnetic Film by Heat Treatment

200 nm thick Fe-N magnetic thin films were deposited on glass substrates by RF sputtering. The as-deposited films havehigh saturation magnetization but their coercivity is also higher than what is needed Therefore it is very important to reducecoercivity.The samples were vacuum annealed at 250℃ under 12000 A/m magnetic field. When the N content was in therange of 5～7 at. pct, the thin films consisted of α'+α" after heat treatment and had excellent soft magnetic properties of4πM_s=2.4 T, H_C<80 A/m. However, the thickness of a recording head was 2 μm, and H_c increased as thickness increased.In order to reduce the H_c, the sputtering power was raised from 200 W to 1000 W to reduce the grain size. 2 μm Fe-N thin     

低温区间的Fe-N二元相图理论分析

采用亚点阵的化合物能模型计算低温区间Fe-N二元相图。计算结果表明,25～350℃低温区,分别存在着α-Fe(N)和γ＇-Fe4N,γ＇-Fe4N和ε-Fe₂N_1-x二相平衡。α-Fe(N),γ＇-Fe₄N,ε-Fe₂N_1-x均为热力学稳定相。依据Guillermet和Du的热力学性质参数计算的低温区间Fe-N二元相图与现有实验数据相符。     

Grain boundary transformation character in Fe-N austenite

The morphology and crystallography of the isothermal transformation of Fe-N austenite at 225 °C were characterized by transmission electron microscopy and scanning electronic microscope. Fe-N austenite was produced by through-nitriding thin pure iron sheets at 640 °C. Lath-shaped and periodically distributed (γ-austenite + γ′-Fe₄N + α-Fe) microstructures formed at the prior austenite grain boundaries, this kind of microstructure was shown to be bainite in nature and kept a Greninge-Troiano orientation relationship between the γ-austenite (γ´-Fe₄N) and α-ferrite. The formation mechanism of the grain boundary microstructure was shown to be the preferential precipitation of the proeutectoid γ′-Fe₄N at the grain boundary, followed by the transformation of the N-depleted austenite into α-ferrite and γ′-Fe₄N, thus forming a periodic γ-γ′-α-γ′-γ-γ′-α-γ′-γ-γ′ arrangement.     

磁控溅射Fe-N薄膜的结构和性能

研究了氮流量对磁控溅射Ｆｅ－Ｎ薄膜的磁性和结构的影响．加氮薄膜的软磁性能明显优于纯铁的．当氮的流量为１．０ｍＬ·ｍｉｎ~（－１）时,矫顽力 Ｈ_ｃ达到最小值２０５Ａ／ｍ．当氮流量为０．８ｍＬ·ｍｉｎ_（－１）时,饱和磁化强度达到Ｍ_ｓ＝２．３６Ｔ．在 Ｆｅ－Ｎ薄膜中未发现γ’－Ｆｅ４Ｎ和 α”－Ｆｅ１６Ｎ２．     

Fractal growth of Fe-N thin films prepared by magnetron sputtering at elevated temperature

Fe-N thin films were prepared by direction-current magnetron sputtering with different process parameters. The surface morphology and fractal dimension of the films have been studied using atomic force microscopy and small angle X-ray scattering techniques. The results indicate that the surfaces of thin films exhibit an obviously self-affine fractal characteristic, and the fractal dimension is greatly affected by the N₂/Ar flow rate ratio. When the N₂/Ar flow rate ratio is less than 1/6, the film growth follows the KPZ growth model. Contrarily, the growth mechanism of the film is agreement with the DLCA model.     

Bioinspired Hydrophobicity Coupled with Single Fe-N4 Sites Promotes Oxygen Diffusion for Efficient Zinc-Air Batteries

The poor oxygen diffusion and sluggish oxygen reduction reaction (ORR) kinetics at multiphase interfaces in the cathode suppress the practical application of zinc-air batteries. Developing effective strategies to tackle the issue is of great significance for overcoming the performance bottleneck but remains challenging. Here, a multiscale hydrophobic surface is designed on the iron single-atom catalyst via a gas-phase fluorination-assisted method inspired by the structure of gas-trapping mastoids on lotus leaves. The hydrophobic Fe-FNC attains a higher peak power density of up to 226 mW cm⁻², a long durability of up close to 140 h, and better cyclic durability of up to 300 cycles compared to the corresponding Pt/C-based Zn-air battery. Experiments and theoretical calculations indicate that the formed more triple-phase interfaces and exposed isolated Fe-N₄ sites are proposed as the governing factors in boosting electrocatalytic ORR activity and remarkable cycling durability for Zn-air batteries.     

铁氮化合物吸收剂的制备及其微波吸收特性的研究

采用固气反应法制备铁氮化合物吸收剂,研究了工艺参数对产物组成、微波电磁参数的影响,既而确定产物中形成较高比例Fe4N的条件.结果表明:在360℃,3h反应条件下,产物中Fe4N质量分数最高,为45%;反应时间不变,产物介电常数随反应温度升高而增加,磁导率则相反;反应温度不变,产物磁导率随反应时间的增加而降低;产物经分散处理后制得的吸波材料反射率优于处理前,在11.67GHz处,可达-11.18dB.