VC基納米多層膜的微結(jié)構(gòu)與超硬效應(yīng).pdf

1、硬質(zhì)薄膜是一類在現(xiàn)代工業(yè)中具有重要應(yīng)用的表面涂層材料。納米多層膜的超硬效應(yīng)以及材料組合的多樣性和性能可裁剪性，使其具有廣闊的應(yīng)用前景。而這類材料通過人工設(shè)計微結(jié)構(gòu)而獲得高硬度的強化機制則具有更為重要的理論研究價值。
　　經(jīng)過二十多年的研究，在高硬度納米多層膜的微結(jié)構(gòu)特征和材料體系拓展等方面都已取得了明顯的進展。然而強化機制和設(shè)計準則等基礎(chǔ)性研究的滯后成為了這類材料進一步發(fā)展的障礙。
　　本論文研究了VC、HfC單層膜以及VC

2、/TiC、VC/TiN、VC/TiB2、VC/SiC、VC/AlN、VC/Si3N4和HfC/Si3N4等多種碳化物為基的納米多層膜。主要的內(nèi)容包括：碳化物為基的納米多層膜中的生長結(jié)構(gòu)和超硬效應(yīng)；立方結(jié)構(gòu)碳化物對非晶材料晶體化的模板效應(yīng)；采用反應(yīng)濺射方法獲得高硬度碳化物基納米多層膜的制備技術(shù)；討論了納米多層膜中的強化機制和調(diào)制結(jié)構(gòu)參數(shù)對多層膜性能的影響。論文在納米多層膜材料體系的新拓展、設(shè)計準則的新補充和制備技術(shù)的新方法三個方面取得了一

3、些創(chuàng)新性的成果，得出的主要結(jié)論如下：
　　1.單相VC薄膜可以在Ar氣體中磁控濺射VC陶瓷靶制備獲得。濺射氣壓對薄膜的化學(xué)成分、相組成、微結(jié)構(gòu)、沉積速率以及相應(yīng)的力學(xué)性能有較大的影響，通過調(diào)整VC靶材的化學(xué)計量比也可以顯著改變所得薄膜的生長結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。等化學(xué)計量比VC靶所得薄膜的結(jié)晶程度較差，最高硬度為28.0GPa；而富金屬元素的VC靶所得薄膜在低的濺射氣壓下即可獲得良好的結(jié)晶和較高的力學(xué)性能，最高硬度可達31.5GPa。<

4、br>　　2. VC/TiC納米多層膜在小調(diào)制周期時可獲得硬度的顯著升高。其中由富金屬元素VC和TiC組成的納米多層膜形成了良好的共格外延生長結(jié)構(gòu)，并獲得了硬度增量為40％的超硬效應(yīng)，其最高硬度達到41.9GPa；而由等化學(xué)計量比VC和TiC組成的納米多層膜形成的共格界面結(jié)構(gòu)則相對較差，多層膜的硬度增量僅約為19%，其最高硬度為31.0GPa。
　　3.不同VC、TiN層厚的VC/TiN納米多層膜均可以在小調(diào)制周期時獲得共格外延的

5、生長結(jié)構(gòu)和硬度顯著升高的超硬效應(yīng)。其中，固定調(diào)制比的VC/TiN納米多層膜獲得了硬度增量高達62%的超硬效應(yīng)，其最高硬度達到45.8GPa；而固定VC層厚和固定TiN層厚的VC/TiN納米多層膜也分別取得了41%和42%的硬度增量。調(diào)制周期或可變調(diào)制層厚度增大后，多層膜的共格界面結(jié)構(gòu)遭到破壞，其硬度也逐步降低。
　　4. VC/TiB2納米多層膜也可以在合適的調(diào)制結(jié)構(gòu)下獲得硬度明顯升高的超硬效應(yīng)。立方結(jié)構(gòu)VC和六方結(jié)構(gòu)TiB2在小

6、調(diào)制周期或可變調(diào)制層厚度很小時形成了共格界面結(jié)構(gòu)，其共格關(guān)系為：2//0001111 TiBVC，2//1120110 TiBVC。在不同調(diào)制結(jié)構(gòu)參數(shù)的VC/TiB2納米多層膜中，固定調(diào)制比的多層膜獲得了硬度增量為26%的超硬效應(yīng)，其最高硬度為38.3GPa；而固定VC層厚和固定TiB2層厚的多層膜則分別取得了39%和41%的硬度增量。調(diào)制周期或可變調(diào)制層厚度增大后，多層膜的共格生長逐漸遭到破壞，硬度也逐步降低。
　　5.由立方晶

7、體的VC和非晶態(tài)的SiC或AlN組成的納米多層膜也能獲得超硬效應(yīng)。在模板層VC的模板作用下，沉積態(tài)為非晶的SiC和AlN都在厚度小于約0.7nm時被強制晶化成 NaCl結(jié)構(gòu)的亞穩(wěn)晶體，多層膜呈現(xiàn)共格外延的生長結(jié)構(gòu)并獲得硬度的明顯升高。其中VC/SiC納米多層膜獲得的最高硬度為36.0GPa；VC/AlN納米多層膜獲得的最高硬度可達40.1GPa。SiC或AlN層隨厚度增大后又重新轉(zhuǎn)變?yōu)橐苑蔷B(tài)生長，多層膜的共格界面迅速遭到破壞，其硬度隨

8、即降低。
　　6.在Ar-C2H2混合氣體中，利用濺射金屬V和Hf靶材的反應(yīng)濺射方法可以高效率地合成碳化釩和碳化鉿薄膜。薄膜的化學(xué)成分、相組成、微結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能對C2H2分壓非常敏感。在C2H2分壓為混合氣體總壓的約3%時可以獲得力學(xué)性能較高的立方結(jié)構(gòu)VC薄膜，其硬度可達35.5GPa；在C2H2分壓為混合氣體總壓約2.5~3.0%的范圍內(nèi)才可獲得力學(xué)性能較高的單相HfC薄膜，其最高硬度為27.9GPa。
　　7.由于在A

9、r-C2H2的混合氣氛中，濺射的Si3N4粒子不與C2H2氣體發(fā)生反應(yīng)，因而采用反應(yīng)磁控濺射技術(shù)可以高效地制備VC/Si3N4和HfC/Si3N4納米多層膜。在VC或HfC的模板作用下，原為非晶態(tài)的Si3N4在層厚小于1nm時被強制晶化，并與模板層形成共格外延生長結(jié)構(gòu)，相應(yīng)多層膜獲得了硬度顯著升高的超硬效應(yīng)。其中VC/Si3N4獲得的最高硬度達45.8GPa，而HfC/Si3N4獲得的最高硬度為38.2GPa。Si3N4層隨厚度增加超過

10、1nm后又轉(zhuǎn)為以非晶態(tài)生長，多層膜的共格生長結(jié)構(gòu)隨即遭到破壞，其硬度亦相應(yīng)降低。由于反應(yīng)濺射具有很高的沉積速率，這種采用反應(yīng)濺射技術(shù)制備高硬度納米多層膜的方法在工業(yè)上具有很好的應(yīng)用前景。
　　8.根據(jù)VC/TiN、VC/TiB2和VC/SiC納米多層膜的實驗結(jié)果總結(jié)出了立方晶體/立方晶體、立方晶體/六方晶體、立方晶體/非晶體三種典型結(jié)構(gòu)組合納米多層膜的調(diào)制結(jié)構(gòu)參數(shù)與薄膜硬度的具體關(guān)系圖。由于這三種結(jié)構(gòu)類型組合涵蓋了大多數(shù)陶瓷納米多