若干超硬納米多層膜界面結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性的第一性原理研究.pdf

1、超硬材料是指維氏硬度(Vickers hardness, Hv)超過40GPa的一類材料，廣泛應(yīng)用于石油開采、刀具加工、電子科技、核安全等領(lǐng)域。其中，超硬納米多層膜具有高硬度、高抗氧化性、高抗腐蝕和高熱穩(wěn)定性等優(yōu)異性能，已成為最富前景的刀具涂層材料。超硬納米多層膜能在充分降低成本的前提下彌補(bǔ)實際刀具材料的不足，探究滿足各類要求的超硬納米多層膜已成為當(dāng)今科技的熱點之一。本文運用第一性原理針對若干超硬納米多層膜的原子結(jié)構(gòu)、電荷性質(zhì)和力學(xué)性能

2、進(jìn)行研究，取得以下進(jìn)展。
　?、賹σ韵聝深惣{米多層膜界面的原子結(jié)構(gòu)和電荷性質(zhì)進(jìn)行分析：
　　1)建立 Al-TiN、Al-VN、Al-TiC和 Al-VC納米多層膜(001)、(110)和(111)三個面的界面結(jié)構(gòu)。分析發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)界面均為Al與C(或 N)原子連接。離子鍵和共價鍵共存于界面，共價鍵由Al原子的s和p態(tài)與C(或N)原子的p態(tài)通過雜化作用形成。在三種界面結(jié)構(gòu)中，由(111)面的界面粘結(jié)能最大，界面結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。金

3、屬Al與碳化物的連接較其與氮化物連接穩(wěn)定。
　　2)建立金剛石和 c-BN在(111)面的界面結(jié)構(gòu)，分析表明存在兩類穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的界面處原子堆疊順序與單晶金剛石結(jié)構(gòu)一致，電荷能夠在該界面平穩(wěn)過渡。離子鍵和共價鍵共存于界面，共價鍵由C和B原子的sp態(tài)通過sp3雜化作用形成。界面對納米多層膜材料的影響是局部的。
　?、谟脧V義層錯能(Generalized stacking fault energy)描述材料的非彈性變形。計

4、算金剛石(111)/c-BN(111)納米多層膜穩(wěn)定結(jié)構(gòu)在界面處的廣義層錯能，發(fā)現(xiàn)界面的廣義層錯能曲線的變化趨勢與金剛石和c-BN體材料的一致，界面的不穩(wěn)定層錯能(?us)小于c-BN體材料的?us。B1結(jié)構(gòu)的界面在{111}<110>shuffle-set滑移系上的?us最小，該滑移系易形成全位錯。B2結(jié)構(gòu)的界面在{111}<112>glide-set滑移系上存在兩個?us，該滑移系存在肖克萊不全位錯(a0/6<112>)。在界面的影

5、響下，納米多層膜界面附近滑移系上的廣義層錯能曲線發(fā)生了明顯變化。不同的滑移系上的廣義層錯能變化不同，一些滑移系上的廣義層錯能增強(qiáng)，一些減弱，其余的沒有明顯改變。
　　③運用應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分析晶體的理想強(qiáng)度和形變過程中晶體原子結(jié)構(gòu)變化。構(gòu)建基于金剛石(111)/c-BN(111)兩種穩(wěn)定界面結(jié)構(gòu)的納米多層膜結(jié)構(gòu)。分別對單晶金剛石、單晶c-BN和納米多層膜進(jìn)行單軸拉伸和純剪切模擬。研究發(fā)現(xiàn)單晶金剛石和c-BN在<111>方向的理想拉伸

6、強(qiáng)度較低，說明單晶材料受拉時該方向的化學(xué)鍵最易斷裂。單晶材料在{001}<110>和{110}<110>方向容易產(chǎn)生全位錯，在{111}<112>方向易形成不全位錯。金剛石(111)/c-BN(111)納米多層膜的理想拉伸強(qiáng)度介于單晶金剛石和c-BN之間。在拉伸形變過程中納米多層膜在c-BN部位最先斷裂。納米多層膜的剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)鋸齒形變化，歸因于晶體內(nèi)部化學(xué)鍵在剪切形變作用下斷裂及重新組合。納米多層膜在?111?[121]方向