TiN/Si_3N_4纳米多层膜的生长结构与超硬效应

采用磁控溅射方法制备了一系列不同Si3N4和TiN层厚的TiN/Si3N4纳米多层膜,采用X射线衍射、高分辨电子显微分析和微力学探针表征了薄膜的微结构和力学性能,研究了Si3N4和TiN层厚对多层膜生长结构和力学性能的影响。结果表明:当Si3N4层厚小于0.7 nm时,原为非晶的Si3N4在TiN的模板作用下晶化并与之形成共格外延生长的柱状晶,使TiN/Si3N4多层膜产生硬度和弹性模量异常升高的超硬效应。最高硬度和弹性模量分别为34.0 GPa和353.5 GPa。当其厚度大于1.3 nm时,Si3N4呈现非晶态,阻断了TiN的外延生长,多层膜的力学性能明显降低。此外,TiN层厚的增加也会对TiN/Si3N4多层膜的生长结构和力学性能造成影响,随着TiN层厚的增加,多层膜的硬度和弹性模量缓慢下降。

TiN／Si_3N_4纳米晶复合膜的微结构和强化机制

采用高分辨透射电子显微镜对高硬度的TiN／Si3N4纳米晶复合膜的观察发现,这类薄膜的微结构与Veprek提出的nc-TiN／a-Si3N4模型有很大不同;复合膜中的TiN晶粒为平均直径约10nm的柱状晶,存在于柱晶之间的Si3N4界面相厚度为0．5-0．7nm,呈现晶体态,并与TiN形成共格界面．进一步采用二维结构的TiN／Si3N4纳米多层膜的模拟研究表明,Si3N4层在厚度约<0．7nm时因TiN层晶体结构的模板作用而晶化,并与TiN层形成共格外延生长结构,多层膜相应产生硬度升高的超硬效应．由于TiN晶体层模板效应的短程性,Si3N4层随厚度微小增加到1．0nm后即转变为非晶态,其与TiN的共格界面因而遭到破坏,多层膜的硬度也随之迅速降低．基于以上结果,本文对TiN／Si3N4纳米晶复合膜的强化机制提出了一种不同于nc-TiN／a-Si3N4模型的新解释．

残余氧对TiN+Si_3N_4纳米复合薄膜硬度的影响

用直流等离子体增强化学气相沉积设备在不锈钢表面沉积纳米晶TiN和纳米非晶Si3N4复相薄膜.主要研究了氧元素对薄膜硬度的影响.结果表明,薄膜中极其微量的氧含量就会使nc-TiN+a-Si3N4薄膜的硬度大幅降低.薄膜中氧含量小于0.2％(原子分数),薄膜硬度可以达到45-55 GPa,而氧含量升至1％-1.5％后,薄膜硬度降至30 GPa左右.其原因与晶界处形成SiOx相有关.

Si_3N_4/TiN复相陶瓷常温导电性研究

分析了以高硅铁尾矿合成的Si3N4粉和高钛渣为原料常压烧结制备的Si3N4/TiN复相陶瓷的常温导电性,并对其进行放电加工。研究结果表明,初始原料中20%(质量分数)左右的TiO2加入量是决定材料中TiN能否形成导电网络的最低TiO2加入量,此时材料的电阻率为4.25×10-2Ω.cm。烧结温度升高,材料的电阻率略有降低。随放电加工速度的增加,加工表面的粗糙度明显增加。

TiN／Si_3N_4纳米多层膜硬度对Si_3N_4层厚敏感性的研究

通过反应磁控溅射制备了一系列不同Si_3N_4层厚的TiN/Si_3N_4纳米多层膜,利用X射线衍射仪、高分辨透射电子显微镜、扫描电子显微镜和微力学探针表征了多层膜的微结构和硬度,研究了其硬度随Si_3N_4层厚微小改变而显著变化的原因．结果表明,在TiN调制层晶体结构的模板作用下,溅射态以非晶存在的Si_3N_4层在其厚度小于0．7nm时被强制晶化为NaCl结构的赝晶体,多层膜形成共格外延生长的{111}择优取向超晶格柱状晶,并相应产生硬度显著升高的超硬效应,最高硬度达到38．5 GPa．Si_3N_4随自身层厚进一步的微小增加便转变为非晶态,多层膜的共格生长结构因而受到破坏,其硬度也随之降低．

反应磁控溅射法制备nc-TiN/a-Si_3N_4薄膜的Young's模量和内耗

利用振簧技术测量了不同退火状态下的nc-TiN/a-Si3N4超硬薄膜的Yong's模量和内耗随温度的变化关系.在280—300℃附近观察到一个弛豫内耗峰.随着退火温度的升高,该内耗峰逐渐减弱,而Young's模量变化不大.750℃退火后,该内耗峰消失,而模量却从未退火时的430 GPa激增至530 GPa.初步认为该内耗峰来源于非稳定界面的弛豫过程.

Si_3N_4-TiN/BN层状陶瓷材料阻力曲线及其增韧机制的研究

通过压痕小裂纹直接量测法获得Si3N4-TiN/BN层状复合材料的阻力曲线 ,并采用指数经验公式拟合处理了实验数据 ,解释了各拟合参数的物理意义 .对层状复合材料阻力曲线所具有的独特的台阶状进行了分析 ,并对层状复合材料具有高韧性的机理作了深入的研究 .结果表明弱间层的层状结构具有明显的增韧效果 .这是由于弱间层的存在将出现裂纹偏转现象 ,吸收大量的断裂功 ,从而大幅度提高了裂纹的扩展容限 ,使断裂韧性有较大增长 .

TiN颗粒增韧Si_3N_4复合材料氧化行为的研究

在单一氮化硅(Si3N)陶瓷中加入TiN可改善其材料的脆性,但对复合材料的氧化性能有无影响尚不十分清楚。针对这一问题,本文对TiN颗粒增韧Si3N4复合材料氧化行为进行了研究。结果表明:试样在800～1000℃温度下氧化,符合抛物线规律,且氧化增重随TiN含量的增加而增加,当TiN质量分数为50%时,氧化增重急剧增加;在此温度范围内,含TiN质量分数为30%的试样其氧化激活能为145kJ/mol,较单一氮化硅容易氧化;氧化温度越高,氧化越严重,试样氧化后的强度损失率增大。

TiN颗粒增韧Si_3N_4复合材料磨损行为研究

加入TiN可改善Si3N4陶瓷的脆性,但对复合材料的耐磨性能有何影响尚不清楚,本文对TiN颗粒增韧Si3N4复合材料在干摩擦条件下的磨粒磨损行为进行了研究。结果表明:磨损率随载荷和磨粒粒径的增大而增加,但磨损速度对磨损率的影响甚小。在相同的试验条件下,复合材料的磨损率高于Si3N4。Si3N4的磨损主要是磨粒对试样表面的微观犁削,其磨损率极低;而30%TiN复合材料磨损表现为磨粒犁削TiN颗粒周围的Si3N4基体后,造成TiN颗粒剥落,随后TiN颗粒又作为磨粒对试样产生更大的磨损。

TiNi-V共晶钎料钎焊Si_3N_4陶瓷接头界面结构及性能

采用真空电弧熔炼技术制备了TiNi-V高温共晶钎料合金,研究了该钎料在Si3N4陶瓷表面的铺展行为.随后采用TiNi-V钎料实现了Si3N4陶瓷的钎焊连接,利用SEM,EDS以及XRD等分析方法,确定了接头的典型界面结构为:Si3N4/TiN+Ti-Si化合物/NiV.重点研究了钎焊温度对接头界面结构及力学性能的影响.结果表明,随着钎焊温度的升高,熔融钎料与Si3N4陶瓷反应程度增加,导致钎缝中TiN+Ti-Si化合物层厚度不断增加,且在接头残余应力的作用下形成了大量显微裂纹,降低了接头性能.当钎焊温度为1 200℃,钎焊时间为10 min时,接头室温抗剪强度达到最大为28 MPa.断口分析显示接头断裂于TiN+Ti-Si化合物层为脆性断裂.

Si_3N_4-SiC-TiN陶瓷燃烧合成工艺研究

以TiSi2和SiC为原料,利用SHS方法合成Si3N4-SiC-TiN复相陶瓷。在不同稀释剂含量及氮气压力下进行燃烧合成,计算了毛坯转化率和产物相对密度,并对产物进行了XRD分析。结果表明,氮气压力增高有利于提高转化率及产物相对密度。反应物转化率随稀释剂含量增加而增大。孔隙率为53%(体积分数)毛坯,稀释剂SiC含量为35%(质量分数)压坯相对密度达到最大值,且当稀释剂含量高于35%(质量分数)时,SiC发生氮化反应,生成Si3N4和C。

Si_3N_4-TiZrN_2-TiN复合导电陶瓷

以制备可用电火花加工的氮化硅基陶瓷材料为目的,用Zr N-Ti N作为导电相,以Y_2O_3、La_2O_3、Al N作为烧结助剂,在1750℃无压烧结Si_3N_4-Ti Zr N_2-Ti N复合导电陶瓷。测试了试样的烧结特性、机械性能及导电性能,用XRD和SEM分析表征了试样的物相和显微结构。其结果为:相对密度接近98%;试样的机械性能良好,抗弯强度可达到960 MPa,显微硬度为14.7 GPa,断裂韧性为7.6 MPa·m^(1/2);试样的电阻率由单相氮化硅陶瓷的10^(13)?·cm降低到复合导电陶瓷的10^(-2)?·cm数量级,可用电火花进行加工。物相分析表明,试样中生成了Ti Zr N_2新物相,形成了Si_3N_4-Ti Zr N_2-Ti N复合导电陶瓷。显微分析表明,试样中的三种晶粒均在2μm以下,具有相互结合紧密且分布较均匀的显微结构。

添加TiN改善Si_3N_4陶瓷加工性的研究

通过添加TiN改善Si_3N_4陶瓷的加工性,结果表明,添加 TiN含量达 30wt％时,可实现电火花切割加工。

评Veprek的nc-TiN/a-Si_3N_4模型和其“超过金刚石硬度”的实验基础

由于报道获得了超过金刚石的硬度,TiN/Si3N4纳米复合薄膜成为十多年来超硬材料和薄膜材料的重要热点。本文从实验基础方面对这类薄膜的Veprek模型和＂超高硬度＂进行了评述。在微结构方面,Veprek提出的非晶Si3N4包裹TiN纳米晶的结构模型（即nc-TiN/a-Si3N4）缺乏足够的实验依据,直接观察表明：高硬度薄膜中的TiN晶粒并非等轴晶,而是纳米直径的柱状晶。就Si3N4界面相来说也并非以1个单分子层（~0.3 nm）的非晶态存在,而是厚度约3个分子层（~0.7 nm）的晶体态,更重要的是Si3N4界面相与相邻的TiN晶体形成了共格结构。在制备技术方面,十余年来始终没有人在这类材料中重复出Veprek超过金刚石硬度的结果,Veprek不仅将其归咎于缺乏足够高的沉积温度和氮分压,甚至归咎于薄膜中存在不可避免的微量氧,但也缺乏足够的直接证据。在超高硬度的样品方面,Veprek所报道超过金刚石硬度（最高达138.9 GPa）的样品不但未经任何他人检测确认,而且现在这些样品已经不存在了。

旋转超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷用金刚石磨具磨损行为研究

热压烧结Si_(3)N_(4)陶瓷材料常应用于航天飞行器中关键耐高温零部件,但由于高硬度和低断裂韧性,其加工效率和加工表面质量难以满足制造需求。为了提高热压烧结Si_(3)N_(4)陶瓷旋转超声磨削加工质量,减小由于金刚石磨具磨损带来的加工误差,开展了磨具磨损行为研究。基于热压烧结Si_(3)N_(4)陶瓷旋转超声磨削加工实验,分析了金刚石磨具磨损形式;基于回归分析建立了金刚石磨具磨损量数学模型,揭示了加工参数及磨具参数与金刚石磨具磨损量间映射关系;并研究了磨损形式与磨具磨损量及加工表面粗糙度影响规律。结果表明:磨粒磨耗是旋转超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷用金刚石磨具最主要磨损形式,比例超过50%;主轴转速和磨粒粒度对磨具磨损量影响最为显著;且磨损量较小时,加工表面粗糙度值反而增加。以上研究可为提高旋转超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷加工精度和加工质量提供指导。

TiN/Si_3N_4复相陶瓷电火花线切割加工效率的正交试验研究

通过对TiN/Si3N4复相陶瓷电火花线切割加工电参数的优化试验,找出影响加工效率的主要因素和较优的参数组合,为进一步开发TiN/Si3N4复相陶瓷材料的加工及应用提供依据。

离子束辅助沉积制备TiN／Si_3N_4纳米超硬膜的工艺研究

采用离子束辅助沉积法(Ion beam assisted deposition,IBAD)在单晶硅片上进行沉积制备了TiN／Si3N4 纳米复合超硬薄膜;研究了辅助束流、轰击能量和Ti:Si靶面积比等工艺参数对TiN／Si3N4超硬纳米复合薄膜性能的影响。此外采用纳米硬度计、光电子能谱(X-ray photoelectron spectrum,XPS)和X射线衍射分析(X-ray diffraction,XRD)方法研究了纳米复合薄膜的性能、成分与组织结构;采用原子力显微镜(Atomic force microscopy,AFM)分析了薄膜的表面形貌,并初步探讨了TiN／Si3N4纳米复合超硬薄膜的生长机理。

GPS TiN-Si3N4复相材料制备及电加工性能研究

采用气氛加压烧结制备了Si3N4-TiN(Ni)复合材料,对材料的烧结性能,导电性能及电火花加工(EDM)的状况和机理进行了初步研究.结果表明:添加少量金属Ni一方面改善了材料烧结性能,一方面降低了Si3N4-TiN系统形成网络导电所需TiN添加量.其中添加20wt%TiN、4wt%Ni的试样,在1750～1800℃,1.2MPa氮气压力下保温一小时以后相对密度达97%,复合材料具有较好的力学性能及电性能,电阻率小于氮化硅基陶瓷可电火花加工的电阻率值1Ω穋m.对该配方试样进行电火花加工,加工性能良好,电加工机理为熔融.

氮气压力对Si_3N_4-SiC-TiN陶瓷自蔓延燃烧合成的影响

以TiSi2为反应原料,SiC作稀释剂,利用自蔓延高温合成(SHS)方法合成Si3N4-SiC-TiN复相陶瓷。计算了氮气压力对毛坯反应物理论转化率的影响,并在50、100和150 MPa三种氮气压力下进行了燃烧合成。结果表明,孔隙率为50 vol%的压坯在三种条件下反应都比较完全,反应物转化率随氮气压力增加而提高。而孔隙率为40 vol%的压坯在较低氮气压力下燃烧反应变得不完全,产物中残留大片Si。当压力为150 MPa时产物中未出现单质Si。说明氮气压力增大有利于氮气向反应前沿的渗入,进而提高反应物的转化率。

Si_3N_4-TiN纳米复相陶瓷的制备与性能研究

采用热压烧结方法制备了Si3N4-TiN纳米复相陶瓷,研究了纳米TiN颗粒的添加对Si3N4陶瓷组织、力学性能和抗热震性能的影响。研究结果表明:Si3N4-TiN纳米复相陶瓷的显微组织由粒径为100nm左右的晶粒构成,TiN以独立颗粒的形式存在;纳米TiN颗粒的添加可以提高纳米Si3N4陶瓷的断裂韧性和抗弯强度,但对硬度影响不大;适量TiN颗粒的添加能改善纳米Si3N4陶瓷的抗热震性。