ZrO-,2-基納米多層膜中的贗晶生長與超硬效應(yīng)的研究.pdf

1、本文研究了ZrO<,2>基納米多層膜中的贗晶生長與超硬效應(yīng)。 以TiN為代表的氮化物硬質(zhì)薄膜作為刀具涂層取得了巨大的成功，有力地推動(dòng)了制造業(yè)規(guī)?；庸さ陌l(fā)展，高速切削與干式切削等加工技術(shù)的發(fā)展，又對(duì)刀具涂層提出了更高的硬度和高溫抗氧化性方面的要求，高硬度的氮化物薄膜因抗氧化能力不佳而難以滿足此要求。Sproul基于納米多層膜的超硬效應(yīng)，提出采用兩種氧化物制備兼具高硬度和高抗氧化性納米多層膜的技術(shù)路線，但按此路線所制備的多層膜未能

2、得到硬度的提高。 本論文基于納米多層膜晶體生長的模板效應(yīng)，設(shè)計(jì)并制備了在ZrO2中插入TiN層形成的ZrO2/TiN納米多層膜。研究了TiN在四方ZrO2模板效應(yīng)下晶體化并形成贗晶體的條件，以及納米多層膜生長結(jié)構(gòu)的改變及其對(duì)多層膜力學(xué)性能的影響，結(jié)合現(xiàn)有強(qiáng)化理論，討論了四方結(jié)構(gòu)體系納米多層膜的超硬機(jī)制。發(fā)展了一種金屬基體上制備薄膜截面TEM樣品的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。 本論文關(guān)于納米多層膜的研究在材料體系的拓展，理論研究的深入以及實(shí)

3、驗(yàn)方法的創(chuàng)新三個(gè)方面取得了一些進(jìn)展。主要研究結(jié)果如下： 1.對(duì)ZrO2/TiN納米多層膜的生長結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，與NaCl結(jié)構(gòu)氮化物一樣，四方結(jié)構(gòu)的ZrO2也存在模板效應(yīng)，在此效應(yīng)下，僅以NaCl結(jié)構(gòu)存在的TiN層在厚度小于1.8nm時(shí)被強(qiáng)制形成與ZrO2相同的四方結(jié)構(gòu)贗晶體，并與ZrO2形成共格外延生長的柱狀晶。這種結(jié)構(gòu)上連續(xù)而成分周期變化的柱狀晶呈現(xiàn)遠(yuǎn)高于ZrO2單層膜的強(qiáng)烈（111）擇優(yōu)取向，顯示了氧化物/氮化物納米多層膜

4、生長的相互促進(jìn)效應(yīng)。TiN層隨厚度的進(jìn)一步增加，又改變?yōu)橐訬aCl結(jié)構(gòu)晶體生長，多層膜的共格外延生長結(jié)構(gòu)遭到破壞，多層膜呈現(xiàn)四方結(jié)構(gòu)ZrO2和立方結(jié)構(gòu)TiN交替生長的特征。 2.力學(xué)性能研究發(fā)現(xiàn)，共格外延生長的ZrO2/TiN多層膜的硬度和彈性模量隨TiN層厚度的增加而迅速上升，并在TiN層厚為1.1nm時(shí)達(dá)到最高值19.4GPa和235GPa。隨TiN層厚的繼續(xù)增加和多層膜共格外延生長結(jié)構(gòu)的消失，ZrO2/TiN納米多層膜的

5、硬度和彈性模量迅速下降，當(dāng)TiN層厚達(dá)到2.2nm時(shí)，多層膜的硬度和彈性模量已經(jīng)降低到與ZrO2單層膜相當(dāng)?shù)乃?，分別為11.4GPa和181GPa。 3.采用現(xiàn)有納米多層膜超硬機(jī)制理論對(duì)以四方結(jié)構(gòu)為模板的ZrO2/TiN納米多層膜研究發(fā)現(xiàn)，多層膜共格外延生長時(shí)因晶格失配所產(chǎn)生的交變應(yīng)力場(chǎng)是多層膜獲得超硬效應(yīng)的必要條件和主要因素。并對(duì)其他多層膜體系的理論計(jì)算與分析發(fā)現(xiàn)，多層膜共格外延生長并產(chǎn)生的交變應(yīng)力場(chǎng)同樣是它們的共同特征。