AlN-NbN、AlN-ZrN納米多層膜和(Zr，Al)N薄膜的微結(jié)構(gòu)和性能.pdf

1、過渡族金屬氮化物(MeN)薄膜具有高硬度、低摩擦系數(shù)及良好的抗磨損性能，在刀具、耐磨部件等眾多工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，實(shí)際生產(chǎn)對(duì)薄膜的硬度、熱穩(wěn)定性等性能提出了更高的要求，目前通過納米多層膜技術(shù)和添加B、Al、Si、Cr等元素是進(jìn)一步提高氮化物(MeN)薄膜性能的有效途徑。 因此，本文采用磁控反應(yīng)濺射方法制備了一系列不同調(diào)制周期的AlN/NbN和AlN/ZrN納米多層膜以及不同Al含量的(Zr，Al)N薄膜。

2、研究了AlN/NbN納米多層膜的生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，從材料熱力學(xué)角度分析了AlN/NbN多層膜的生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)并與AlN/TiN體系作了比較，討論了多層膜發(fā)生塑性變形時(shí)位錯(cuò)可能借助的運(yùn)動(dòng)機(jī)制并計(jì)算了異結(jié)構(gòu)對(duì)薄膜硬度增加的貢獻(xiàn)；研究了AlN/ZrN納米多層膜的生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，討論了AlN/ZrN納米多層膜幾種可能的生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)；研究了Al含量對(duì)(Zr，Al)N薄膜的結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及高溫抗氧化性的影響。 研究結(jié)果如下： AlN/N

3、bN納米多層膜的調(diào)制周期從3.0nm變化至26.0nm，AlN層和NbN層均為異結(jié)構(gòu)共格生長(zhǎng)，其共格關(guān)系為｛111｝fcc-NbN‖｛0001｝h-AllN，錯(cuò)配度為0.14％。顯微硬度維持在30GPa左右。在不同的調(diào)制周期AlN始終以六方相(h-AlN)的形式存在即使厚度為1.5nm時(shí)也沒有出現(xiàn)立方相這與AlN/TiN體系不同，原因在于AlN/NbN體系中AlN以六方相生長(zhǎng)時(shí)體系的能量比立方相的低。AlN/NbN納米多層膜發(fā)生塑性變形

4、時(shí)位錯(cuò)可能存在兩種運(yùn)動(dòng)機(jī)制，分析認(rèn)為位錯(cuò)借助穿過層界的機(jī)制運(yùn)動(dòng)更符合實(shí)際情況，在該機(jī)制下異結(jié)構(gòu)對(duì)薄膜硬度增加的貢獻(xiàn)為14.7％，表明異結(jié)構(gòu)對(duì)納米多層膜硬度的影響不大。 AlN/ZrN納米多層膜的調(diào)制周期從30nm減小到2nm，AlN層和ZrN層始終保持各自穩(wěn)定的六方結(jié)構(gòu)和面心立方。調(diào)制周期從6nm變化至2nm，AlN/ZrN多層膜的AlN與ZrN很可能形成異結(jié)構(gòu)外延結(jié)構(gòu)，其外延關(guān)系為｛111｝fcc-ZrN‖｛0001｝h-Al

5、N。在不同的調(diào)制周期，多層膜的硬度始終在ZrN單層膜和AlN單層膜之間，彈性模量比兩者都小。 當(dāng)Al含量為0at％~20.31at％之間時(shí)，(Zr,Al)N薄膜是B1型(NaCl)單相結(jié)構(gòu)；當(dāng) Al含量為31.82at％時(shí),同時(shí)出現(xiàn)B1和B4型(ZnS)雙相結(jié)構(gòu)；當(dāng)Al含量超過36.82at％，以B4結(jié)構(gòu)為主。隨著Al含量的增加，薄膜晶面間距減小,晶格常數(shù)變?。槐∧さ挠捕认仍黾雍鬁p小，原因是復(fù)合膜結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變。隨著Al含