金属/高熵合金纳米多层膜的制备、微观结构及力学性能研究进展

通过表面防护涂层技术制备综合力学性能与摩擦性能优异的涂层材料,对降低构件因碰撞摩擦磨损所引起的损伤失效问题十分重要。相较于单层膜结构防护涂层,金属纳米多层膜涂层材料由于其微观组织结构的独特性与可控性,表现出优异的服役特性,且其综合性能可通过结合新组元或界面调控得到进一步提高,因此该类材料受到了广泛关注。新颖的成分设计理念使得高熵合金具有独特的四大效应,即高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应和性能鸡尾酒效应,进而呈现出良好的综合性能。因此,在传统的双金属纳米多层膜结构材料中引入高熵合金组元,形成金属/高熵合金纳米多层膜,有望突破传统金属纳米多层膜的性能局限,极大地提高多层膜结构材料的力学性能。从功能基元序构的视角,围绕近几年金属/高熵合金纳米多层膜的相关研究,首先介绍了其制备方法和工艺原理,针对功能基元微观结构特征,从晶粒形貌、界面结构、组元成分等方面进行了阐释,在此基础上论述了其力学行为以及相应的内在机制,并提出了调控金属/高熵合金纳米多层膜力学性能的优化策略,最后对金属/高熵合金纳米多层膜的未来研究方向和面临的挑战进行展望。

纳米双金属多层膜力学行为的研究进展

纳米双金属多层膜是由2种金属按照一定的调制周期交替沉积而形成的一种层状薄膜材料,凭借着特殊的结构和优异的物理、化学和力学性能,在微机电系统、机械加工以及微电子器件等领域有着广泛的应用潜力,被国内外学者广泛关注和研究。针对近年来纳米金属多层膜力学行为的研究现状,围绕纳米金属多层膜的微观结构、力学性能及其内在塑性变形机制3个方面进行了综述。总结了纳米金属多层膜中的晶粒尺寸、孪晶以及异质界面等微观结构,分析了这些因素对其力学性能的影响,阐述了力学性能和塑性变形的尺寸效应,介绍了兼具良好强度和塑性的纳米金属多层膜设计策略,可通过控制多层膜的调制周期和引入合适的界面结构制备具有高强度/塑性的纳米金属多层膜,讨论了影响纳米金属多层膜塑性变形的内禀机制及主要影响因素。最后,对纳米金属多层膜未来的发展方向进行了分析和展望。

铜基金属纳米多层膜界面介导的损伤及断裂行为原位研究进展

作为一种典型异质结构材料,纳米金属多层膜的力学响应通常表现出界面介导的损伤及断裂行为。而基于电镜发展的原位力学测试方法,可实现多层膜变形过程中力学行为的精确刻画,从而有助于揭示其界面损伤及断裂的潜在物理机制。当前围绕纳米多层膜的原位研究已有诸多进展。以铜基金属纳米多层膜为例,从缺陷-界面交互行为出发,基于组元层厚对位错运动的影响,详细讨论了位错塞积、约束层滑移和位错穿越3种位错-界面交互机制导致界面损伤的原位研究进展;阐述了孪晶-界面交互行为对界面损伤的影响,进一步分析了因孪生导致的界面损伤行为。在此基础上,讨论了多层膜变形过程中界面介导的裂纹萌生和扩展行为;基于界面类型、载荷加载形式和裂纹偏转等因素,详细分析了多层膜界面介导的断裂机制。最后对材料损伤断裂行为的原位研究进行了展望。

难混溶体系Al/Pb金属多层膜的Pb膜微观形貌和生长方式

用磁控溅射法在载玻片上镀制了难混溶体系Al/Pb金属纳米多层膜,考察了调制波长对Pb膜成膜的影响,借用Philip XL370型扫描电子显微镜研究了成膜质量、表面形貌及膜层断面结构形貌,并采用X射线观测了样品中Al、Pb相的存在形式和膜层结构变化。结果表明,当Pb膜达到一定厚度时,可得到均一、致密的难混溶体系Al/Pb金属纳米多层膜。探讨了膜的形成机理,给出了成核过程模型,并进一步修正了传统成膜机制。

溅射法制备Al／Pb金属多层膜

通过直流二极溅射法制备了具有不同调制波长和周期的Al／Pb金属多层膜。分别通过扫描电镜、X-射线衍射试验以及能谱对多层膜的表面形貌、断面形貌、结构和组成进行了分析。结果表明,所制备的Al／Pb纳米多层膜既无新相生成也无非晶相产生;在亚微米尺寸范围内,铝和铅的微粒分布均匀;在纳米尺寸范围内,形成了Pb对Al的包覆。

Pb/Al金属多层膜的红外性能研究

利用紫外-可见-近红外分光光度计和傅立叶红外光谱仪分析了用真空磁控溅射技术制备的Al/Pb金属多层膜的对红外光的吸收、反射和透射.结果表明,在近红外200～2500nm波段,多层膜具有良好的吸波特性,在中红外和远红外波段,多层膜呈现出低反射强吸收效果.

Al/Pb纳米多层膜的组织结构

采用离子束溅射法制备Al/Pb纳米多层膜,其XRD图谱表明,仅有Pb的衍射峰出现,而无Al相或其他新相产生;经250℃退火或15天的时效后,样品中均同时出现Al和Pb的衍射峰,但仍然没有其他新相生成。SEM、TEM观察表明,Al/Pb纳米多层膜表面并非均匀一致,而是由颗粒和空隙组成,时效或热处理均能改善膜层的表面粗糙度,但也使得多层膜中的Pb膜发生碎化,进而使得Pb从Al膜中析出并发生团簇。

电沉积纳米金属多层膜研究

分别采用单槽法和双槽法电沉积制备 Cu/ Ni多层膜 .研究了两种电沉积方法制备多层膜的工艺条件 ,并利用俄歇电子能谱和扫描电子显微镜 (SEM)确定镀层结构 .通过对比 。

射频磁控溅射沉积Al/Al_2O_3纳米多层膜的结构及性能

运用射频磁控溅射技术在Si（100）基片及40Cr钢基体上制备了调制周期λ=60 nm,调制比η=0.25~3的Al/A12O3纳米多层膜。通过X射线衍射、X射线光电子能谱、扫描电镜、原子力显微镜、维氏显微硬度仪及MFT-4000多功能材料表面性能测试仪对多层膜的结构、硬度、膜基结合强度及摩擦性能进行了研究。结果表明：Al/A12O3多层膜中Al层呈现（111）择优取向,A12O3层以非晶形式存在,多层膜呈现良好的调制结构。薄膜与衬底之间的结合强度较高,均在40 N左右,摩擦系数均低于衬底的摩擦系数,表明Al/A12O3多层膜具有一定的减摩作用。η=0.25的Al/A12O3多层膜具有最高的硬度值（16.1GPa）,摩擦系数最低（0.21）,耐磨性能最好。

纳米金属多层膜的电化学制备与性能研究的现状

介绍了金属多层膜电化学制备方法的现状,简述了单槽电化学制备多层膜材料的数学模型,比较了纳米金属多层膜与亚纳米金属多层膜不同的力学、电学、磁学、光学和电化学性能,并讨论了巨磁阻多层膜材料的应用前景。

电镀纳米金属多层膜研究现状

介绍了纳米金属多层膜的研究现状，讨论了单槽法电镀纳米多层膜的原理和脉冲设计方法，简述了纳米多层膜的结构与特性，分析了纳米多层膜的发展趋势。

纳米金属多层膜的强韧化及其尺寸效应

如何有效地协调和平衡材料强度与韧性之间的矛盾,大幅度地提高结构材料的损伤容限,是非均质金属材料微观结构敏感性设计的巨大挑战。纳米金属多层膜作为一类典型的非均质金属材料,由于不仅可以调整其组元几何和微观结构尺度,而且可以引入具有不同本征性能的组元材料和不同结构的层间异质界面,因此在获得高强高韧金属结构材料方面具有潜在的能力。结合当前国内外有关金属多层膜塑性变形强韧化机制及其尺寸与界面效应研究的最新进展,分别阐述了晶体/晶体Cu/X(X=Cr,Nb,Zr)与晶体/非晶Cu/Cu-Zr金属多层膜/微柱微观结构-尺寸约束-服役性能三者之间的关联性,并对纳米金属多层膜研究的发展趋势进行了展望。

金属纳米颗粒-聚电解质多层膜的X射线反射率研究

用静电自组装技术制备了不同层数的 Au纳米颗粒 -聚电解质多层膜 ,用 X射线反射及原子力显微镜对膜的微结构进行了表征 .研究发现 ,当 Au纳米颗粒下面的聚电解质层较薄时 ,膜中无清晰的界面结构 ;随着 Au纳米颗粒下面的聚电解质层的增厚 ,金属

c-AIN的生长对AIN/(Ti,Al)N纳米多层膜力学性能的影响

采用反应磁控溅射制备了具有不同调制周期的AIN/(Ti,Al)N纳米多层膜,研究了亚稳相立方氮化铝(c-AIN)在纳米多层膜中的生长条件及其对薄膜力学性能的影响。结果表明:在小调制周期下AIN以立方结构存在,并与(Ti,Al)N层形成同结构共格外延生长,使纳米多层膜产生较大的晶格畸变。与此相应,AIN/(Ti,Al)N纳米多层膜硬度和弹性模量随调制周期的减小呈单凋上升的趋势,当调制周期小于8～10 nm时其增速明显增大,并在调制周期为1.3 nm时达到最高硬度29.0GPa和最高弹性模量383 GPa.AIN/(Ti,Al)N纳米多层膜的硬度和弹性模量在小调制周期时的升高与亚稳相c-AIN的产生并和(Ti,Al)N形成共格结构有关。

VN/(Ti,Al)N纳米多层膜的共格生长与超硬效应

采用反应磁控溅射技术制备了一系列具有不同调制周期的VN/(Ti,Al)N纳米多层膜.利用高分辨透射电子显微镜、X-射线衍射仪和微力学探针表征了纳米多层膜的微结构和力学性能,从而研究其微结构与力学性能之间的关系.结果表明,小调制周期时,VN/(Ti,Al)N纳米多层膜沿薄膜生长方向呈现出具有面心立方(111)晶面择优取向的共格外延生长结构.由于存在晶格错配,在共格界面作用下,VN和(Ti,Al)N调制层分别受到拉、压应力,在多层膜中产生以调制周期为周期的交变应力场.这种应力场大大阻碍了薄膜中位错穿过界面的运动,从而导致薄膜产生硬度和弹性模量异常升高的超硬效应,并在调制周期为5.6 nm时,达到硬度和弹性模量的最高值38.4GPa和421 GPa.进一步增加调制周期,两调制层之间产生非共格界面,破坏了薄膜中的交变应力场,薄膜的硬度和弹性模量也随之降低.

离子轰击能量对ZrN/TiAlN纳米多层膜性能的影响

使用超高真空离子束辅助沉积系统(IBAD)制备一系列具有纳米调制周期的ZrN/TiAlN多层膜,研究了离子辅助轰击对薄膜性能的影响.结果表明:离子辅助轰击使大部分ZrN/TiAlN多层膜的纳米硬度和弹性模量值高于两种个体材料硬度的平均值;离子的轰击和薄膜表面原子与轰击离子之间的动量传输提高了薄膜的致密度;当轰击能量为200 eV时,多层膜的硬度最高(30.6 GPa),弹性模量、表面粗糙度和摩擦系数等也明显改善.

Cu-Cr纳米金属多层膜屈服强度/硬度的尺寸依赖性

采用磁控溅射方法分别在聚酰亚胺基体以及单晶硅基体上制备恒定调制比(η)以及恒定调制周期(λ)的Cu-Cr纳米金属多层膜;通过单轴拉伸试验以及纳米压痕试验系统研究Cu-Cr多层膜屈服强度及硬度的尺度依赖性。微观分析结果表明:基体对多层膜的微观结构无影响,Cu-Cr多层膜在生长方向上均呈现Kurdjumov-Sachs取向关系,即{111}Cu//{110}Cr和-110-Cu//-111-Cr。力学测试结果表明:调制比恒定的Cu-Cr多层膜的屈服强度及硬度随调制周期的缩短而增加;调制周期恒定的Cu-Cr多层膜的屈服强度/硬度随调制比的增加而增加。Cu-Cr多层膜变形机制在临界调制周期(λc≈25 nm)和临界调制比(ηc≈1)由Cu层内单根位错滑移转变为负载效应。

电化学沉积法制备纳米金属多层膜的研究进展

介绍了电化学沉积方法制备金属多层膜的现状 ,纳米金属多层膜的摩擦学、机械、磁学、电学、光学和催化性能 。

Ni/Al纳米多层膜的界面扩散与电阻率

采用FS-MS模型研究了Ni/Al纳米多层膜的薄膜电阻率ρ及镜面反射系数P随周期数n、Ni/Al调制比R和调制波长L的演变规律,从而表征了多层膜界面扩散行为的尺度依赖性.结果表明:随着n减小,ρ基本恒定,多层膜界面扩散行为对调制周期数不敏感;而随着薄膜特征尺度R和L的减小,出现ρ异常增加和P明显减小的变化过程.P对薄膜特征尺度的依赖关系反映了多层膜界面扩散行为的尺寸效应,即多层膜界面非对称的互扩散行为只在低调制比与低调制波长尺度下加剧,此时界面互促效应凸现;在高于临界调制波长和调制比的情况下,互促效应弱化,薄膜界面扩散行为不明显.

Zr基氮化物/金属Cu纳米多层膜的强韧化研究

多层结构可以提高材料的强度、弹性模量和韧性。当尺寸减小到纳米量级时,性能将产生飞跃变化。首先探讨了多层结构提高强度、弹性模量和韧性等性能的基本原理,然后阐明了纳米尺度效应及理论,重点以过渡族金属氮化物ZrN纳米多层膜为例,研究了氮化物/金属(ZrN/Cu)纳米多层膜、ZrAlN纳米复合膜以及ZrAlN/Cu纳米多层膜的强韧化性能。结果表明,ZrN/Cu纳米多层膜的断裂韧性约是二元ZrN薄膜的2倍。当纳米多层膜的Cu单层厚度为20 nm时,多层膜的K_(IC)值最高。ZrAlN复合膜的断裂韧性与Al含量密切相关,当Al原子分数为23%时,薄膜的K_(IC)值达3.17 MPa·m^(1/2),其硬度>40 Gpa,Al原子分数为47%的薄膜的K_(IC)值则降低到1.13 MPa·m^(1/2),其硬度降低至17.1 GPa。与ZrN/Cu纳米多层膜和ZrAlN复合膜相比,以ZrAlN层和Cu层为调制结构制备的ZrAlN/Cu纳米多层膜具有最高的硬度和最好的韧性。