ZrO-,2-基納米多層膜中的贗晶生長與超硬效應的研究.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。 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的發(fā)展，又對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，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，設計并制備了在ZrO2中插入TiN層形成的ZrO2/TiN納米多層膜。研究了TiN在四方ZrO2模板效應下晶體化并形成贗晶體的條件，以及納米多層膜生長結構的改變及其對多層膜力學性能的影響，結合現(xiàn)有強化理論，討論了四方結構體系納米多層膜的超硬機制。發(fā)展了一種金屬基體上制備薄膜截面TEM樣品的實驗技術。 本論文關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

3、驗方法的創(chuàng)新三個方面取得了一些進展。主要研究結果如下： 1.對ZrO2/TiN納米多層膜的生長結構的研究發(fā)現(xiàn)，與NaCl結構氮化物一樣，四方結構的ZrO2也存在模板效應，在此效應下，僅以NaCl結構存在的TiN層在厚度小于1.8nm時被強制形成與ZrO2相同的四方結構贗晶體，并與ZrO2形成共格外延生長的柱狀晶。這種結構上連續(xù)而成分周期變化的柱狀晶呈現(xiàn)遠高于ZrO2單層膜的強烈（111）擇優(yōu)取向，顯示了氧化物/氮化物納米多層膜

4、生長的相互促進效應。TiN層隨厚度的進一步增加，又改變?yōu)橐訬aCl結構晶體生長，多層膜的共格外延生長結構遭到破壞，多層膜呈現(xiàn)四方結構ZrO2和立方結構TiN交替生長的特征。 2.力學性能研究發(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時達到最高值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構的消失，ZrO2/TiN納米多層膜的

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