纳米硬质薄膜.pptx

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1、会计学1纳米硬质薄膜纳米硬质薄膜2.2.概念的提出概念的提出 ：上个世纪上个世纪上个世纪上个世纪7070年代，年代，年代，年代，KoehlerKoehler提出提出提出提出了超晶格的概念后，新型纳米多层了超晶格的概念后，新型纳米多层了超晶格的概念后，新型纳米多层了超晶格的概念后，新型纳米多层硬质涂层得到了快速发展。他认为多层膜结构的每层膜的厚度足够薄硬质涂层得到了快速发展。他认为多层膜结构的每层膜的厚度足够薄硬质涂层得到了快速发展。他认为多层膜结构的每层膜的厚度足够薄硬质涂层得到了快速发展。他认为多层膜结构的每层膜的厚度足够薄时，弹性模量小的组分的位错将很难通过界面移动到模量高的组分中，时，弹

2、性模量小的组分的位错将很难通过界面移动到模量高的组分中，时，弹性模量小的组分的位错将很难通过界面移动到模量高的组分中，时，弹性模量小的组分的位错将很难通过界面移动到模量高的组分中，且调制周期的减小防止了位错在低模量中增殖，这样对位错的生长与且调制周期的减小防止了位错在低模量中增殖，这样对位错的生长与且调制周期的减小防止了位错在低模量中增殖，这样对位错的生长与且调制周期的减小防止了位错在低模量中增殖，这样对位错的生长与移动的阻碍，提高了薄膜的硬度。移动的阻碍，提高了薄膜的硬度。移动的阻碍，提高了薄膜的硬度。移动的阻碍，提高了薄膜的硬度。9090年代初，年代初，年代初，年代初，VeprekVepr

3、ekVeprekVeprek发展了发展了发展了发展了KoehlerKoehler的思想，提出了由纳米晶和非晶的思想，提出了由纳米晶和非晶的思想，提出了由纳米晶和非晶的思想，提出了由纳米晶和非晶构成的纳米复合硬质涂层的设计概念。他认为这种薄膜结构的非晶相构成的纳米复合硬质涂层的设计概念。他认为这种薄膜结构的非晶相构成的纳米复合硬质涂层的设计概念。他认为这种薄膜结构的非晶相构成的纳米复合硬质涂层的设计概念。他认为这种薄膜结构的非晶相相对于位错具有镜像排斥力，可阻止位错的移动，另一方面，非晶体相对于位错具有镜像排斥力，可阻止位错的移动，另一方面，非晶体相对于位错具有镜像排斥力，可阻止位错的移动，另一

4、方面，非晶体相对于位错具有镜像排斥力，可阻止位错的移动，另一方面，非晶体可以良好的容纳随机取向的晶粒的错配，从而提高薄膜的硬度。可以良好的容纳随机取向的晶粒的错配，从而提高薄膜的硬度。可以良好的容纳随机取向的晶粒的错配，从而提高薄膜的硬度。可以良好的容纳随机取向的晶粒的错配，从而提高薄膜的硬度。第1页/共16页二二二二、纳米硬质薄膜的分类及功能特性、纳米硬质薄膜的分类及功能特性、纳米硬质薄膜的分类及功能特性、纳米硬质薄膜的分类及功能特性1.1.1.1.纳米多层膜纳米多层膜纳米多层膜纳米多层膜概概概概念念念念：由由由由两两两两种种种种或或或或两两两两种种种种以以以以上上上上材材材材料料料料以以以

5、以纳纳纳纳米米米米级级级级厚厚厚厚度度度度交交交交替替替替沉沉沉沉积积积积而而而而形成的多层结构薄膜。如图所示。形成的多层结构薄膜。如图所示。形成的多层结构薄膜。如图所示。形成的多层结构薄膜。如图所示。多层膜结构示意图第2页/共16页实验及结论实验及结论实验及结论实验及结论 TiN/AlN TiN/AlN多层膜是利用电弧离子镀设备制备的，如图所示。多层膜是利用电弧离子镀设备制备的，如图所示。多层膜是利用电弧离子镀设备制备的，如图所示。多层膜是利用电弧离子镀设备制备的，如图所示。第3页/共16页第4页/共16页如如图所示，表示了图所示，表示了TiN/AlNTiN/AlN纳米多层纳米多层膜的硬度与

6、调制周期的关系曲线。在膜的硬度与调制周期的关系曲线。在超阵点超阵点周期周期为为2.5nm2.5nm时显示最大硬度时显示最大硬度（大约（大约40Gpa)40Gpa)。它是。它是TiNTiN单相单相涂层硬涂层硬度的度的1.61.6倍。倍。这这表明：表明：TiN/AlN TiN/AlN纳米多层膜存在超纳米多层膜存在超硬度效应。这是因为两层材料的剪切硬度效应。这是因为两层材料的剪切模量存在较大差异时，超晶格涂层的模量存在较大差异时，超晶格涂层的硬度提高很大。硬度提高很大。第5页/共16页2.2.纳米复合薄膜纳米复合薄膜概概概概念念念念：一一一一种种种种材材材材料料料料（纳纳纳纳米米米米晶晶晶晶）的的的

7、的纳纳纳纳米米米米晶晶晶晶粒粒粒粒镶镶镶镶嵌嵌嵌嵌在在在在另另另另一一一一种种种种材材材材料料料料（非非非非纳纳纳纳米米米米晶晶晶晶）中中中中而而而而形形形形成成成成硬硬硬硬度度度度40GPa40GPa的的的的固固固固体体体体薄薄薄薄膜膜膜膜。如图所示。如图所示。如图所示。如图所示。第6页/共16页实验及结论：实验及结论：实验及结论：实验及结论：VeprekVeprekVeprekVeprek采采采采用用用用等等等等离离离离子子子子化化化化学学学学气气气气相相相相沉沉沉沉积积积积（P P P PCVD)CVD)CVD)CVD)方方方方法法法法制制制制备备备备了了了了nc-MEN/a-nc-ME

8、N/a-nc-MEN/a-nc-MEN/a-SiSiSiSi3 3 3 3N N N N4 4 4 4(ME=Ti,W,V)(ME=Ti,W,V)(ME=Ti,W,V)(ME=Ti,W,V)复合薄膜。如图所示。复合薄膜。如图所示。复合薄膜。如图所示。复合薄膜。如图所示。第7页/共16页第8页/共16页如如图图所所示示，纳纳米米复复合合超超硬硬薄薄膜膜具具有有相相当当高高的的硬硬度度。随随着着SiSi含含量量的的升升高高，其其弹弹性性模模量量和和硬硬度度变变化化大大致致相相同同，在在SiSi含含量量在在8%8%左左右右时达到最大（约为时达到最大（约为50Gpa50Gpa），然后逐渐下降。），然后

9、逐渐下降。这这表表明明：SiSi能能对对nc-TiN/a-Sinc-TiN/a-Si3 3N N4 4薄薄膜膜起起到到固固溶溶强化的作用。强化的作用。第9页/共16页第10页/共16页如图所示，纳米复合超硬材料具有良好的如图所示，纳米复合超硬材料具有良好的抗氧化性和热化学稳定性。抗氧化性和热化学稳定性。TiNTiN在在600600 时时出现了较大的氧化速率，而出现了较大的氧化速率，而nc-TiN/a-Sinc-TiN/a-Si3 3N N4 4薄膜的氧化过程比较缓慢。薄膜的氧化过程比较缓慢。这这表明：表明：SiSi3 3N N4 4能有效阻止氧向内扩散，因此能有效阻止氧向内扩散，因此SiSi3

10、 3N N4 4层越厚，抗氧化性越好。层越厚，抗氧化性越好。第11页/共16页第12页/共16页第13页/共16页如图所示如图所示,表示了晶粒尺寸大小与热稳定性表示了晶粒尺寸大小与热稳定性和硬度变化的关系。晶粒越小的薄膜，其和硬度变化的关系。晶粒越小的薄膜，其稳定性越好，硬度也越大。稳定性越好，硬度也越大。这表明：纳米复合薄膜系统中晶粒尺寸对硬这表明：纳米复合薄膜系统中晶粒尺寸对硬度起关键作用。根据度起关键作用。根据Hall-petchHall-petch关系来描关系来描述这主要是因为小尺寸纳米晶阻碍了位错述这主要是因为小尺寸纳米晶阻碍了位错的发展，在边界处没有位错可以聚集。因的发展，在边界处

11、没有位错可以聚集。因此对于材料内部晶粒的重排和设计是必要此对于材料内部晶粒的重排和设计是必要的，这样的纳米复合结构对于提高薄膜热的，这样的纳米复合结构对于提高薄膜热稳定性也至关重要。稳定性也至关重要。第14页/共16页发展方向发展方向:要深入理解超硬膜的理论解释。要深入理解超硬膜的理论解释。研究其他合金元素对膜性能影响，研究其他合金元素对膜性能影响，开发出多元多层纳米复合膜，通过优开发出多元多层纳米复合膜，通过优化各元素组分来提高和完善材料的化各元素组分来提高和完善材料的机机械性能。械性能。晶粒尺寸在晶粒尺寸在1nm时的材料性能研究。时的材料性能研究。发展一些在发展一些在1500 以上具有热稳以上具有热稳定性和抗氧化性的纳米复合硬质薄膜。定性和抗氧化性的纳米复合硬质薄膜。发展发展一些具有高韧性和高抗裂性的一些具有高韧性和高抗裂性的硬质硬质薄膜。薄膜。三、纳米薄膜材料未来研究方向三、纳米薄膜材料未来研究方向第15页/共16页