高熵薄膜和成分梯度材料

针对高熵合金薄膜的研究现状,围绕成分设计、制备工艺、相结构、力学性能、高温性能、耐蚀性能等方面进行了讨论。分析了合金薄膜相结构受氮气流率、基底偏压、基底温度等工作参数影响的规律。其力学性能随着C、B、N等小半径非金属原子含量的增加而强化,文中从固溶强化理论角度进行了分析和解释。同时高熵合金薄膜展现出了优异的高温和耐蚀性能,在高温、强酸等极端条件下具有良好的稳定性。此外,高熵材料成分复杂且体系多样化,可通过高通量制备实现多组分材料的平行制备,为高通量筛选提供一个高效平台。针对未来可用于高熵合金高通量制备的几种技术进行了讨论。

FeCoNiMnY高熵薄膜的软磁性能及噪声抑制特性

采用电化学沉积法制备了FeCoNiMnY高熵薄膜,利用XRD、VSM和VNA等测试手段对其性能进行表征,并研究了不同Y元素浓度对高熵薄膜晶体结构、软磁性能和噪声抑制特性的影响。结果表明,Y的添加一方面粗化了晶粒尺寸,增加了合金矫顽力(从12.09 kA/m增加至21.7 kA/m);另一方面,元素Y的添加引起的晶格畸变提高了高熵薄膜的电阻率(高达336μΩ·mm)。FeCoNiMnY高熵薄膜的最大功率损耗比在6.1 GHz处可达到0.84。上述结果表明,FeCoNiMnY噪声抑制片在千兆赫频率下的抗电磁干扰应用中具有很大的潜力。

磁控溅射CoCrFeNi高熵合金薄膜的硬度和电阻率研究

目的研究溅射功率对CoCrFeNi高熵合金薄膜硬度和电阻率的影响,期望获得同时具有高硬度和高电阻率的高熵合金薄膜,为其在电阻薄膜领域的应用提供实验基础。方法在不同溅射功率条件下(40、60、80、100 W),利用CoCr合金靶、Ni片和Fe片拼接成合金靶,采用磁控溅射法在硅基底表面沉积CoCrFeNi高熵合金薄膜。利用XRD分析薄膜相结构,通过SEM分析薄膜成分和形貌,利用显微硬度计测量薄膜硬度,采用双电测四点探针法测定薄膜电阻率。结果不同溅射功率下制备的CoCrFeNi薄膜均与基底结合良好,呈柱状生长模式,且合适的溅射功率有助于获得等摩尔比高熵合金薄膜。随着溅射功率由40 W升高至100 W,薄膜结晶性得到改善,形成简单的FCC相,(111)择优生长更加强烈,柱状生长愈加明显,晶粒尺寸增大,硬度和电阻率降低。结论溅射功率对CoCrFeNi薄膜组织和性能具有重要影响。当溅射功率为40 W时,CoCrFeNi薄膜同时具有最高硬度和最大电阻率,其值分别为940.5HV和336.5μΩ?cm。

磁控溅射法制备Al_xCoCrFeNi高熵合金薄膜的微观组织和力学性能研究

利用磁控溅射工艺制备了不同Al含量的(0~20%(原子分数))AlCoCrFeNi高熵合金薄膜,研究了Al含量对AlCoCrFeNi高熵合金薄膜微观结构和力学性能的影响。结果表明,Al元素的加入,使得原CoCrFeNi四元合金薄膜中的(200)峰消失,Al_xCoCrFeNi薄膜呈现出(111)晶面的择优生长取向。Al_xCoCrFeNi合金薄膜形成了面心立方单一均匀的固溶体。Al元素的加入起到了固溶强化的作用,使Al_xCoCrFeNi薄膜硬度相对于CoCrFeNi合金薄膜整体提高了1~2GPa。当Al含量为0.8时,薄膜的柱状晶宽度达到最小,Al_(0.8)CoCrFeNi薄膜在Hall-Petch关系作用下硬度显著增加,达到最大值18.7GPa。

磁控溅射制备高熵合金薄膜研究进展

作为新兴合金材料,多主元高熵合金打破了传统合金中主要组成元素为一种或两种的合金设计理念,由至少五种主要元素构成,从而获得的高熵效应使其在性能上往往比传统合金具有更大的优势,如高硬度、高强度、抗高温氧化、耐腐蚀等。近年来,高熵合金薄膜的性能及制备技术同样备受学术界和工业界的关注。磁控溅射薄膜制备技术具有成膜温度低、膜层致密、结合力好等优点,已逐渐应用于高熵合金薄膜的制备及性能研究,具有非常大的工程应用前景。介绍直流、射频、离子束及脉冲磁控溅射的特点及其在高熵合金薄膜中的应用,重点分析不同磁控溅射技术下制备的高熵合金薄膜的相结构特点和规律,并系统地阐述薄膜优异的各种性能,最后展望磁控溅射技术制备高熵合金薄膜发展的方向。

磁控溅射制备AlCrWTaTiNb高熵合金薄膜低温等离子体氮化

采用磁控溅射技术沉积了AlCrWTaTiNb多元高熵合金薄膜,在400℃以下采用高密度等离子体设备对沉积的薄膜进行了氮化处理.用X射线衍射(XRD)、原子力显微镜和纳米压痕对氮化后薄膜的微观结构、表面形貌以及力学性能进行了分析.结果表明,高熵效应有利于降低氮化温度,最低氮化温度仅为200℃,所有的(AlCrWTaTiNb)N薄膜晶体结构呈现简单的FCC结构,且具有(111)择优取向.随着氮化温度的增加,(AlCrWTaTiNb)N复合薄膜的显微硬度、弹性模量和对应的H3/E2均增大,氮化温度为300℃时,达到最大,随后略微下降.随氮化时间的延长,显微硬度和弹性模量均逐渐增加.

高熵合金薄膜制备、微观结构与性能的研究进展

相较于传统的薄膜,高熵合金薄膜具有更加优异的力学性能和独特的物理化学性能,在近14年获得了长足发展。概述了近年来有关高熵合金薄膜的研究进展,首先介绍了高熵合金薄膜的制备工艺方法(溅射沉积、等离子喷涂、激光熔覆、等离子转移电弧熔覆、电化学沉积以及阴极电弧沉积等),详细说明了应用范围最广的溅射沉积技术的分类和特点,并且阐述了各工艺技术的优缺点及应用范围。其次,总结了高熵合金薄膜的微观结构特征和性能(力学性能、耐腐蚀、耐磨损、抗辐照以及耐高温氧化性能等)。高熵合金打破了传统合金通过添加其他合金元素来获得特定性能的设计准则,是一种多主元合金固溶体,因此微观结构更加致密,相结构更加稳定且体系更加复杂,这使得高熵合金薄膜/涂层同样表现出比传统涂层更加优良的综合性能。最后,讨论了目前研究工作的问题和不足之处,主要存在的问题是针对结构和性能之间关系的研究不够透彻,内在机理尚不明确,未来的研究应该着重于此。

射频磁控溅射制备(AlCrTiZrNb)N高熵合金薄膜的微观组织和力学性能

研究了氮含量对(Al Cr Ti Zr Nb)N高熵合金薄膜微观结构和力学性能的影响,利用射频磁控溅射工艺在不同N2和Ar流量比下制备了(Al Cr Ti Zr Nb)N高熵合金薄膜。结果表明,随着氮气流量的升高,(Al Cr Ti Zr Nb)N薄膜的沉积速率逐渐下降,Al Cr Ti Zr Nb合金薄膜的结构由非晶态转变为由Me-N(金属氮化物)构成的面心立方固溶体结构,(Al Cr Ti Zr Nb)N薄膜的择优生长取向为(200)晶面。同时随着N2流量的增加,(Al Cr Ti Zr Nb)N高熵合金薄膜的硬度首先快速升高,随后略微降低。当N2∶Ar=1∶1时,(Al Cr Ti Zr Nb)N薄膜硬度最大值28.324 GPa,此时(Al Cr Ti Zr Nb)N薄膜呈现单一的面心立方固溶体结构,饱和Me-N相的形成与各元素的固溶强化作用是其硬度的增长的主要原因。

环境和法向载荷对(TiVCrAlMo)N高熵合金薄膜摩擦学性能的影响

本工作研究了(TiVCrAlMo)N高熵合金薄膜在干摩擦、16烷、去离子水及三种粘度润滑油(0W-20、10W-30及5W-40)下的摩擦学行为,并探究了不同载荷(1 N、2 N和3 N)对其摩擦学性能的影响。结果表明:1 N和2 N下,高熵合金薄膜在16烷和润滑油中的摩擦系数远低于在干摩擦和去离子水中的摩擦系数,但在3 N下,高熵合金薄膜在去离子水中的摩擦系数出现大幅下降。在油润滑下,高熵合金薄膜在低粘度润滑油(0W-20)中的磨损率随载荷的增加而增大,而在中粘度润滑油(10W-30)中的磨损率随载荷的增加而减小,但在高粘度润滑油(5W-40)中的磨损率与载荷之间无明显的线性关系。高熵合金薄膜在干摩擦中的磨损机制是磨粒磨损和分层磨损,但随载荷的增加还伴有氧化磨损;在16烷中的磨损机制是疲劳磨损和氧化磨损,但在1 N下仅为轻微磨粒磨损;在去离子水中的磨损机制为磨粒磨损和氧化磨损。高熵合金薄膜在低粘度润滑油(0W-20)中1 N下的磨损机制是轻微磨粒磨损,但随载荷的增加转为疲劳磨损;相反的是,在中粘度润滑油(10W-30)中的磨损机制是疲劳磨损,但随载荷的增加转为轻微磨粒磨损;此外,高熵合金薄膜在高粘度润滑油(5W-40)中的磨损机制是磨粒磨损,但在2 N下伴有氧化磨损。

高熵合金薄膜微观结构与摩擦学性能的研究综述

在机械系统运行中存在的摩擦磨损问题直接影响系统的工作效率、运行可靠性和使用寿命。如何降低摩擦磨损对机械系统运行的影响至关重要。通过特殊的表面处理工艺在关键工件表面沉积耐磨损、自润滑的薄膜在众多的减摩降损方法中效果突出。相较于传统薄膜,高熵合金薄膜具有独特的微观结构和优异的力学性能,在摩擦领域表现出极佳的发展潜力。概述了近年来有关高熵合金薄膜的研究进展。首先介绍了高熵合金薄膜的基本概念和制备方法,论述了这些制备方法的原理、优缺点和适用领域。其中,通过磁控溅射法制备的高熵合金薄膜的表面光滑致密、成分均匀性好、膜基结合强度较高、组织结构可控,该方法已成为高熵合金薄膜最常用的制备方法。重点论述了采用磁控溅射法来调节元素组分、工艺参数、界面结构对高熵合金薄膜的微观结构和摩擦性能的影响,并从耐磨损性和减摩自润滑性等方面分析改善高熵合金薄膜摩擦学性能的关键因素。高熵合金薄膜具有硬质的组织结构、表面光滑致密、膜基结合牢固等特点,这是提升耐磨损性能的关键。通过复合自润滑相或氧化磨损诱导生成致密的润滑膜,可显著改善其减摩性能。总结了目前研究中存在的问题和不足,并就未来高熵合金薄膜在摩擦领域的研究方向进行了展望。

O含量对(FeCoCrNiAlRe)O_(x)高熵氧化物扩散障性能的影响

用磁控溅射在单晶硅基底上沉积了(FeCoCrNiAlRe)O_(x)高熵氧化物陶瓷类薄膜,并探究不同O含量对在700℃退火温度下对Cu-Si互扩散的阻挡能力。采用SEM扫描电镜、EDS能谱仪、XRD衍射仪对薄膜进行表征。结果表明:(FeCoCrNiAlRe)O_(x)高熵氧化物薄膜质地较为致密,元素分布均匀,不同氧含量下制备的高熵氧化物薄膜均为非晶结构,且对Cu-Si的扩散有较好的阻扩散能力。

高熵合金薄膜研究现状与展望

高熵合金是一种由五种或者五种以上的元素以(近)等原子比组成的新型多主元合金材料,拥有众多优异的力学、物理和电学方面的性能,引起了科技工作者的极大关注。高熵合金薄膜是一种低维度形态(微米级)的高熵合金材料,不仅展现出与块体高熵合金相似的优异性能,而且在某些性能(如硬度)上甚至优于块体高熵合金,在诸多领域里展现出良好的应用前景。从高熵合金的设计理念出发,简述了高熵合金薄膜材料的发展历程和主要分类,介绍了近年来高熵合金薄膜的主要制备方法,并论述了这些方法的原理及其优缺点。阐述了高熵合金薄膜材料具有简单晶体结构的原因以及影响晶体结构的主要因素。重点描述了高熵合金薄膜的力学性能、摩擦磨损性能、耐高温和抗氧化性能以及耐腐蚀性能的特点及研究进展,总结了高熵合金薄膜拥有众多优异性能的原因和影响因素。表明了高熵合金薄膜材料在耐热、耐磨、耐蚀等涂层领域的潜在应用,并对未来高熵合金薄膜在计算模拟、相形成规律等方面以及在特殊条件下使用的薄膜材料的研发方面进行了展望。

高熵陶瓷薄膜晶体结构、制备及其功能特性研究进展

高熵陶瓷薄膜是在高熵合金薄膜中掺入C、N、O等非金属元素形成的碳化物、氮化物、氧化物等性能更优异的薄膜材料。由于高熵陶瓷薄膜具有组分可调节空间大、熵效应独特及材料性能可调控等优点,因此高熵陶瓷薄膜无论是作为结构材料还是功能材料,都有望成为综合多种优异性能的薄膜材料。首先介绍了含有C、N、O等不同非金属元素的高熵陶瓷薄膜的晶体结构,并研究了改变晶体结构的影响因素。除了掺入薄膜中的C、N、O等非金属元素含量会对薄膜的晶体结构产生显著影响外,制备工艺中的工艺参数也会对高熵陶瓷薄膜的晶体结构产生影响。例如,随着基底温度的升高,高熵氮化物薄膜会由非晶结构转变为简单的FCC固溶体结构。另外,基底偏压虽不能直接影响高熵陶瓷薄膜的晶体结构,但对薄膜的择优取向有着显著影响。综述了制备高熵陶瓷薄膜常用的技术,包括磁控溅射技术、脉冲激光沉积技术、真空电弧沉积等。综述了目前国内外研究者对高熵陶瓷薄膜的功能特性的研究进展,包括抗辐照性、扩散阻挡性、电催化性、磁学性、生物相容性等。最后总结了高熵陶瓷薄膜的应用,并指出了目前研究的不足,以及高熵陶瓷薄膜未来的研究方向。

反应磁控溅射高熵合金薄膜的工艺与表征

为探究在Si(100)上反应磁控溅射制备高熵合金氮化物薄膜的工艺,文中对靶材以及薄膜的微观结构、成分、杨氏模量、硬度等进行了表征,在以AlSiTiVCrNb合金为靶材的真空腔室中通入N 2进行反应磁控溅射,制备(AlSiTiVCrNb)N高熵合金薄膜,并与传统硬质薄膜进行对比分析。利用SEM/EDS确定薄膜形貌结构,厚度及表面元素分布,利用XRD对薄膜进行相结构分析,采用纳米压痕测试高熵合金氮化物薄膜的表面硬度及杨氏模量。试验结果表明:高熵合金氮化物薄膜元素含量主要受靶材与溅射产额影响,随着溅射温度,靶功率,负偏压及反应气体通入量的改变薄膜力学性能变化显著;靶材与薄膜均为NaCl型FCC结构,但随工艺参数变化,薄膜的衍射峰出现移动,且出现非晶倾向;薄膜与基底间结合力普遍较高,硬度和杨氏模量随工艺变改化而变,硬度最高可达到37.24 GPa。因而在镀膜过程中通入N 2,通过调控工艺参数,可在Si基底表面生成具有较高硬度和结合能力良好的高熵合金氮化物薄膜,为高熵合金及其氮化物薄膜在刀具等多领域中的一系列应用提供试验支持。

氮气含量对AlCrTaTiZrMoN_x高熵合金氮化物薄膜扩散阻挡性能的影响

国内对高熵合金的研究主要集中于其优异的力学性能,还未见有关高熵合金扩散阻挡性能的报道。采用直流磁控反应溅射方法在不同N_2流量占比气氛中制备了AlCrTaTiZrMoNx薄膜与Cu/AlCrTaTiZrMoNx/Si复合试样,并对样品真空退火1h。用X射线衍射仪(XRD)、原子力显微镜(AFM)、四探针电阻测试仪(FPP)、场发射扫描电镜(SEM)对退火前后样品的物相结构、表面粗糙度、形貌以及方块电阻进行了分析表征,研究了薄膜的热稳定性和扩散阻挡性能。结果表明:随着N_2流量占比的增加,高熵合金氮化物薄膜表面粗糙度增加,方块电阻也单调增加;N_2流量变化会改变薄膜结构,未通入N_2时,薄膜为非晶结构,当通入N_2后,N原子会与金属原子形成氮化物,使结晶性能得到提高,薄膜结构为面心立方,N_2流量占比为20%时,薄膜结晶较好,晶粒细小;当N_2流量占比为0时,复合试样在700℃退火时失效;N_2流量占比为10%时,复合试样在800℃退火时失效;N_2气流量占比为20%和30%时,复合试样在800℃退火后,其X射线衍射峰没有明显的变化,复合试样表面较为平整,此温度为极限温度;在900℃退火后,复合试样界面发生了相互扩散,生成了高阻态铜硅化合物,表面粗糙度显著升高,表明扩散阻挡层已经彻底失效;可见,随着N_2流量占比的增加,高熵合金涂层的扩散阻挡性能和热稳定性得到提高,但当N_2流量占比大于20%时,其阻挡性能和热稳定性提高不明显。

基于磁过滤阴极真空弧沉积技术制备AlCrTiZrMo非晶高熵合金薄膜及其性能研究

基于磁过滤阴极真空弧沉积技术研究了负偏压对AlCrTiZrMo非晶高熵合金薄膜的形貌、元素以及微观结构的影响,进而讨论了AlCrTiZrMo非晶高熵合金薄膜的成膜及结晶机制.通过SEM、EDS、XRD和TEM对薄膜的形貌与结构等性能进行测试分析,实验结果表明:不同沉积离子能量条件下,薄膜具有优异的表面品质;随着沉积离子能量的不断增加,薄膜厚度随之减小;同时,沉积离子能量对高熵晶相的调控有明显效果,沉积离子能量的增加使AlCrTiZrMo高熵合金薄膜微结构从非晶相(am)转变为相稳定的am+FCC纳米复合结构.

沉积时间对高熵合金溅镀氮化薄膜性能的影响

以高熵合金(Al Cr Nb Si Ti V)为靶材,Ar为工作气体,N2为反应气体,利用反应式直流磁控溅镀在硅晶片和车削刀具上制备高熵合氮化薄膜,探讨不同溅镀沉积时间对(Al Cr Nb Si Ti V)氮化物薄膜表层微结构及机械性质的影响。沉积薄膜中所有元素的相对原子浓度与高熵合金靶材相当。氮化物薄膜组织均匀、致密地附着于基材,薄膜表面为颗粒状组织。随着溅镀时间的增加,显示薄膜表面晶粒变大,薄膜沉积速率下降。应用高熵合金(Al Cr Nb Si Ti V) N氮化物薄膜镀层刀具干式切削S45C中碳钢圆柱工件时,工件表面的粗糙度和刀具的侧面磨损显著降低。研究显示镀层可有效提升刀具切削效率,延长刀具使用寿命,溅镀时间30 min时,车削刀具的切削性能最佳。

高熵合金与非晶合金柔性材料

高熵合金与非晶合金作为新一代金属材料,具备许多优异的物理、化学及力学性能,在柔性电子领域展现出巨大的应用潜力.传统的块体高熵合金与非晶合金虽然性能优异,但由于材料本身的刚性特点无法满足可变形电子设备的柔性需求,因此需要通过一定方式如降低维度、设计微结构等赋予其柔性特征.在简述高熵合金柔性纤维的力学性能特点的基础上,介绍了高熵合金薄膜作为潜在柔性材料的制备方式与结构性能特点,总结了非晶合金薄膜应用于电子皮肤、柔性电极、微结构制作等柔性电子领域中的最新进展,最后讨论了现有工作的不足之处并对未来柔性电子的发展前景进行了展望.

各类高熵合金的研究进展

随着科学与技术的不断发展,传统合金已无法满足现代工业发展的要求,迫切需要一种具有优异性能的新型合金材料来满足工业发展的需求。高熵合金是在传统合金的基础之上提出的,其具有比传统合金更优异的性能,所以对高熵合金的研究具有重要的价值。高熵合金是由5种及5种以上主元构成,且每种主元的原子分数>5%并<35%。阐述了块体高熵合金、薄膜状高熵合金、丝状高熵合金以及粉末状高熵合金的研究现状以及取得的进展。

氮气流量对VNbMoTaWN_(x)薄膜作为PEMFC不锈钢双极板改性层性能的影响

目的降低SS316L表面的接触电阻,提高耐腐蚀性能。方法采用非平衡场磁控溅射离子镀技术在SS316L不锈钢表面制备VNbMoTaW和不同氮气流量的VNbMoTaWN_(x)薄膜。使用场发射扫描电镜、XRD衍射仪、XPS光电子能谱仪、电化学工作站、接触电阻测试装置,研究了改性涂层的组成和结构对接触电阻和耐腐蚀性能的影响。结果扫描电子显微镜结果表明,所有薄膜表面致密且连续、与基体结合良好。随着氮气流量的增加,氮化物相逐渐增多、柱状晶结构减少、薄膜更加致密紧凑。XRD结果表明,未通氮气的高熵合金薄膜具有高熵合金体心立方结构,并沿(110)晶面方向生长。随着氮气流量的增加,氮化物相逐渐增多,薄膜晶体结构开始从体心立方结构转变为面心立方结构。结合XPS分析结果可知,VNbMoTaWN_(x)薄膜表面主要由金属氮化物和少量高熵合金BCC相组成,并且随着氮气流量的增加,金属氮化物相逐渐增多。与单层VNbMoTaW薄膜相比,VNbMoTaWN_(x)薄膜具有更好的耐腐蚀性和导电性能。氮流量为12mL/min的高熵合金氮化物薄膜具有最优异的综合性能。表面改性后的薄膜接触电阻大幅度降低,在1.4MPa的压力下,与碳纸的接触电阻仅为12.2 mΩ·cm^(2),接近美国能源部(DOE)的技术目标。由动电位极化曲线测得VNbMoTaWN_(x)-12mL/min在模拟PEMFC阴极环境下的腐蚀电流密度为0.040μA/cm^(2),与SS316L基体相比,薄膜的耐腐蚀性得到了很大提升。在0.6 V恒电位模拟阴极环境下,VNbMoTaWN_(x)-12 mL/min的电流密度稳定在1.01μA/cm^(2),接近美国能源部1μA/cm^(2)的目标。结论VNbMoTaW和不同氮气流量的VNbMoTaWN_(x)薄膜能显著提高SS316L基体的耐腐蚀性和导电性能。