TiC基納米多層膜的微結構和超硬效應.pdf

1、納米多層膜可因超硬效應獲得高硬度，材料組合的多樣性則可使這類材料同時兼具優(yōu)異的綜合性能。早期具有超硬效應的納米多層膜主要由兩種晶體氮化物組成?；谀０逍姆蔷ЬЩ夹g路線，不同種類的非晶材料已被用于高硬度的納米多層膜，然而作為晶體模板層的調制層仍主要由氮化物組成，較少涉及晶體態(tài)的碳化物、硼化物或氧化物，材料體系的拓展仍是高硬度納米多層膜研究的重要方面。
　　 為將高硬度納米多層膜的材料體系由氮化物基拓展至碳化物基。論文在研究T

2、iC薄膜制備技術的基礎上，設計并制備了TiC與立方結構氮化物組成TiC/TiN納米多層膜、混合結構碳化物組成TiC/WC納米多層膜、非晶氮化物、碳化物組成TiC/Si3N4和TiC/SiC納米多層膜、以及可反應碳化物組成TiC/B4C納米多層膜。研究了這些不同類型納米多層膜的微結構和力學性能，并進一步研究了調制結構對納米多層膜力學性能的影響規(guī)律。
　　 論文的主要結論如下:
　　 1、采用反應濺射制備TiC薄膜時，通過調

3、節(jié)C2H2分壓可以控制TiC薄膜的成分、相組成、微結構和力學性能，合適的C2H2分壓下可獲得結晶好、硬度高的單相TiC薄膜，實驗獲得TiC薄膜最高硬度為31.6GPa。采用化合物靶濺射制備TiC時，薄膜的沉積速率、微結構、化學成分及力學性能皆受基片溫度和濺射氣壓(Ar)的影響。其中濺射氣壓的影響較為明顯，而基片溫度在150℃-450℃間時對TiC薄膜結晶性能和硬度的影響有限。
　　 陶瓷靶濺射制備TiC薄膜中，在TiC靶中增加T

4、i含量形成的富Ti靶(Ti∶C=11∶9)可獲得結晶良好的單相TiC薄膜;化學計量比的TiC靶由于其成分處于相圖TiC+C兩相區(qū)，游離的C原子降低了薄膜的結晶程度和力學性能;而高富Ti的TiC靶(Ti∶C=2∶1)所得薄膜因產生Ti相而形成Ti+TiC兩相結構。由于可避免反應濺射中反應氣體與其他組成物的反應，采用富Ti的TiC靶(Ti∶C=11∶9)的直接濺射法更有益于與其他材料匹配制備納米多層膜。
　　 2、對由TiN分別與富

5、鈦和化學計量比的TiC靶制備的同晶體結構TiC0.8/TiN和TiC1.0/TiN納米多層膜的研究發(fā)現(xiàn)，TiC0.8/TiN納米多層膜形成的共格外延生長結構可保持至14.4nm的調制周期，并獲得最高硬度為38.6GPa的超硬效應。而TiC1.0/TiN納米多層膜雖也可在3.0nm的調制周期下獲得共格外延生長結構，并獲得超硬效應，但其最高硬度僅為30.9GPa。這一對比性結果揭示了組成物調制層的結晶狀態(tài)對納米多層膜的共格結構和超硬效應的重

6、要影響。
　　 3、對TiC與混合結構WC組成的TiC/WC納米多層膜的研究表明，在TiC調制層的模板作用下，WC層在厚度小于約1.2nm時形成與TiC完全相同的立方結構調制層，且與其形成共格外延生長結構，多層膜的晶體完整性也因互促效應而得到顯著提高，并在lWC=0.5nm時獲得41.5GPa的最高硬度。當WC層因厚度的進一步增加時，其又轉變?yōu)橐曰旌辖Y構形式生長，因而破壞了多層膜的共格外延結構，與其對應的多層膜硬度也隨之降低。<

7、br>　　 4、在TiC與非晶態(tài)的Si3N4和SiC組成TiC/Si3N4、TiC/SiC的納米多層膜中，由于TiC模板層作用，非晶態(tài)的SiC和Si3N4層均在厚度較薄時（約0.5nm）被晶化為與TiC相同的立方結構并與TiC層共格外延生長，兩類多層膜都取得了硬度增高的超硬效應(其最高硬度分別為36.9GPa和37.0GPa)。隨著SiC層和Si3N4層厚度的增加，多層膜的共格結構逐漸遭到破壞，硬度也逐漸降低。
　　 5、對具

8、有界面反應的TiC/B4C納米多層膜的研究發(fā)現(xiàn)，B4C層在厚度約為0.5nm時全部反應生成TiB2的調制層，多層膜轉變?yōu)榫哂泄哺裆L的TiCx/TiB2納米多層膜，并獲得硬度異常增高的超硬效應，最高硬度達到40GPa。進一步增加B4C層的厚度，剩余未反應的非晶B4C層將破壞多層膜的共格外延生長結構，多層膜形成TiCx/TiB2/B4C的三層結構，其硬度則相應顯著降低。并基于實驗結果提出了兩調制層具有界面反應特征納米多層膜獲得超硬效應的設

9、計要點:1、組成納米多層膜的兩調制層中至少一層需為晶體層，以作為界面反應層晶體生長的模板層;2、另一調制層（可為非晶層）的厚度應較小(≤1nm)，以使其能夠通過界面反應全部形成新的調制層;3、界面反應生成物與晶體模板層間應不具互溶性，以獲得明銳的層間界面;4、較厚的晶體模板層應具有較大的固溶度，以能夠吸收反應生成物中多余的游離原子。
　　 6、對TiC/TiN納米多層膜調制結構參數(shù)與力學性能關系的研究表明，只有當納米多層膜的調制

10、周期和各調制層的厚度均較小，調制層形成了清晰界面的層狀結構并具有共格外延生長的結構特征時，多層膜才能產生硬度異常升高的超硬效應;而隨調制結構參數(shù)的改變，減少調制層厚度將導致多層膜的界面混合區(qū)比例增大，增大調制層厚度則使界面數(shù)量減少，共格外延生長結構也會遭到破壞，這些結構的改變都使納米多層膜的硬度明顯降低。本文所建立的納米多層膜調制結構參數(shù)與硬度的關系圖可為納米多層膜獲得超硬效應的設計提供參考和借鑒。
　　 基于以上研究結果，論文