两步压入法——薄膜力学性能的可靠测量方法

提出了采用力学探针测量薄膜力学性能的两步压入法。该方法通过大载荷压入展示基体变形对薄膜硬度的影响,从而选择不影响基体变形的小载荷测出薄膜的硬度和弹性模量。对高速钢基片上的TiN硬质薄膜,单晶硅片上的金属Ni薄膜和(Ti,Al)N/VN纳米多层膜的测量表明,两步压入法能够测出各种性质薄膜的力学性能,并且具有准确可靠的特点。此外,两步法对(Ti,Al)/VN纳米多层膜的力学性能的测量表明,该体系的纳米多层膜存在硬度和弹性模量异常升高的超硬、超模量效应。

硬质涂层力学性能可靠测量的两步压入法

正确测量涂层的硬度等力学性能一直是硬质涂层生产和研究中亟待解决的问题。本文提出的采用力学探针对涂层进行两步压入的实验方法可以在未知涂层厚度的条件下通过大载荷逐步加载展示出涂层厚度对载荷选择的要求 ,从而正确选择加载载荷进行小载荷压入实验。

力学探针两步压入法研究(Ti,Al)N/AlN纳米多层膜的超硬效应

提出了采用毫牛力学探针技术对硬质薄膜的硬度和弹性模量等力学性能进行准确测量的两步压入法 ,并用此方法研究了 (Ti,Al) N/ Al N纳米多层膜的硬度和调制周期之间的关系。结果表明 ,该纳米多层膜体系的硬度和弹性模量随调制周期的减小单调增加 ,并在调制周期为 1.3nm时达到最高值 HV=2 9.0 GPa和 E=383.0 GPa,表明 (Ti,Al) N/ Al N纳米多层膜存在超硬度和超模量效应。

磁控溅射CrN_x薄膜的制备与力学性能

采用反应磁控溅射法在不同的氮分压下制备了一系列CrNx 薄膜 ,并利用EDS和XRD表征了薄膜的成分和相组成 ,采用力学探针测量了薄膜的硬度和弹性模量。研究了氮分压对薄膜成分、相组成和力学性能的影响。结果表明 ,随氮分压的升高 ,薄膜的沉积速率明显降低 ;薄膜中的氮含量增加 ,相应地 ,相组成从Cr +Cr2 N过渡到单相Cr2 N ,再逐步经Cr2 N +CrN过渡到单相CrN ,并在Cr :N原子比为 1∶2和 1∶1时 ,薄膜的硬度出现极值 (HV2 7.1GPa和HV2 6.8GPa) ,而薄膜的弹性模量则在Cr2 N时呈现 3 5 0GPa的最高值。

W/Mo纳米多层膜的界面结构与超硬效应

研究了W/Mo纳米多层膜的微结构及超硬效应。W/Mo纳米多层膜采用磁控溅射技术制备,并采用XRD、TEM和显微硬度计研究了薄膜的微结构和硬度。结果表明,W/Mo纳米多层膜形成多晶外延生长的超晶格结构;界面共格畸变使W,Mo两调制层的晶面间距随调制周期的减小而相互接近,在多层膜中形成交变应力场,从而使薄膜得到强化。

W/SiC纳米多层膜的调制结构及调制界面

采用 XRD和 HREM技术研究了多靶磁控溅射法制备的 W/Si C纳米多层膜的微结构 .结果表明 ,在多层膜中 ,Si C调制层为非晶态 ;W调制层在大调制周期时为纳米晶 ,随调制周期减小逐渐转变为非晶态 .W/Si C纳米多层膜的调制结构界面平直、清晰、周期性好 ,而在原子尺度上 。

N_2分压对磁控溅射NbN薄膜微结构与力学性能的影响

采用反应磁控溅射法在不同的氮分压下制备了一系列NbN薄膜.用XRD和TEM表征了薄膜的相组成和微观结构,力学探针测量了薄膜的硬度和弹性模量,AFM观察了薄膜的表面形貌并测量了压痕尺寸以校验硬度值的准确性.研究了氮分压对薄膜相组成、微结构和力学性能的影响.结果表明,氮分压对薄膜的沉积速率、相组成、硬度和弹性模量均有明显的影响:低氮分压下,薄膜的沉积速率较高,制备的薄膜样品为六方β-Nb2N和立方δ-NbN两相结构;随氮分压的升高,薄膜形成δ-NbN单相组织,相应地,薄膜获得最高的硬度(36.6GPa)和弹性模量(457GPa);进一步升高氮分压,获得的薄膜为δ-NbN和六方ε-NbN的两相组织,其硬度和模量亦有所降低.

AlN/VN纳米多层膜的共格生长与超硬效应

研究了亚稳相立方AlN(c-AlN)在AlN/VN纳米多层膜中的形成条件以及c-AlN对纳米多层膜力学性能的影响。一系列不同调制周期的AlN/VN多层膜采用反应磁控溅射法制备,多层膜的微结构采用小角度X射线衍射和高分辨电子显微镜表征,利用微力学探针测量了多层膜的力学性能。结果表明:亚稳的c-AlN因VN的'模板'作用生成于小调制周期的纳米多层膜中,并与VN形成共格外延生长的超晶格柱状晶,从而使多层膜产生硬度和弹性模量升高的超硬效应。随调制周期的增大,c-AlN转变为稳定的六方结构(h-AlN),使多层膜形成纳米晶的'砖墙'型结构。此时多层膜的硬度和弹性模量与混合法则所得值相当。AlN/VN纳米多层膜在小调制周期下产生的超硬效应与c-AlN形成带来的性质变化以及c-AlN与VN形成共格结构所产生的界面交变应变场有关。

磁控溅射B_4C薄膜的制备与力学性能

通过磁控溅射方法在不同基片温度下制备了B4C薄膜 ,利用傅立叶红外光谱、X射线衍射、透射电子显微镜表征了薄膜的微结构 ,并采用纳牛力学探针测量了薄膜的力学性能。结果表明 ,室温下制备的B4C薄膜具有很高的硬度 ( 4 2 5GPa)和杨氏模量 ( 3 0 0GPa) ,薄膜呈现非晶或纳米晶特征。随基片温度的提高 ,薄膜略有晶化 ,硬度与杨氏模量相应增加到5 0 4GPa和 4 2 0GPa。

X射线能量色散谱表征纳米多层膜的调制结构

提出并讨论了采用 X射线色散谱 ( EDX)技术表征纳米多层膜调制结构的原理和方法 ,对Ti N/ Nb N纳米多层膜的调制结构特征进行了表征 ,并与横截面透射电子显微镜 ( TEM)表征方法进行比较 .结果表明 ,对于多层膜的调制比 ,EDX是一种更为精确和方便的方法 .采用 EDX结合 X射线衍射 ( XRD)技术可以准确、方便地表征纳米多层膜的调制结构 .