不同调制周期TiAlN/VN多层膜的微观结构、力学和摩擦性能研究

为了研究调制周期对TiAlN/VN纳米结构多层膜结构和性能的影响,采用射频磁控溅射的方法,制备一系列不同调制周期对TiAlN/VN纳米结构多层膜.分别利用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(SEM)、纳米压痕仪和摩擦磨损试验机对薄膜的相结构、截面形貌、硬度和摩擦学性能进行表征.研究结果表明:TiAlN/VN多层膜始终沿(111)面择优生长.随着调制周期的增加,多层膜的硬度表现为先增加后减小,调制周期6 nm时,多层膜硬度最高,为33.12 GPa,分析认为晶格错配引发的交变应力场是多层膜出现“超硬效应”的原因.室温条件下调制周期6 nm时多层膜平均摩擦系数最小,为0.3628;高温635℃时调制周期8 nm对应的多层膜平均摩擦系数最小,为0.2485.

不同调制比NbSiN/VN多层膜微观结构、力学和摩擦性能研究

采用多靶共焦射频磁控溅射制备不同调制比的NbSiN/VN多层膜。利用X射线衍射、扫描电镜、能量色散谱、纳米压痕仪及摩擦试验机对薄膜的成分、相结构、力学及摩擦性能进行分析。结果表明,NbSiN/VN多层膜为fcc与hcp混合结构,NbSiN/VN多层膜的显微硬度随VN调制层厚度的增加而逐渐降低,室温条件下,以Al2O3为摩擦副的NbSiN/VN多层膜平均摩擦系数受调制比影响显著,随VN层厚度的增加,多层膜平均摩擦系数先降低后保持稳定。

调制周期对TaN/VN纳米多层膜的影响

本研究选择钽和钒的氮化物作为个体层材料,利用射频磁控溅射系统制备TaN、VN及一系列的TaN/VN多层薄膜。通过XRD和纳米力学测试系统分析了该体系合成以后的晶体结构、调制周期对力学性能的影响。结果表明:多层膜的纳米硬度值普遍高于两种个体材料混合相的硬度值;当调制周期为30 nm时TaN/VN多层膜达到最大硬度31 GPa,结晶出现多元化,多层膜体系的硬度、弹性模量以及耐磨性能均达到最佳效果。

工作气压对TaN/VN纳米多层膜结构与机械性能的影响

本研究选择钽和钒的氮化物作为个体层材料,利用超高真空射频磁控溅射系统制备TaN、VN及一系列的TaN/VN多层薄膜。通过XRD,纳米力学测试系统分析了该体系合成中工作气压对多层膜结构与机械性能的影响。结果表明多层膜的纳米硬度值都高于两种个体材料混合相的硬度值;当工作气压为0.2Pa时,结晶出现多元化,多层膜体系的硬度、弹性模量、应力均达到最佳效果,最大硬度达到31GPa。多层膜的机械性能改善明显与工作气压的变化有直接的联系。证明了通过选择合适的工作气压条件,合成具有高硬度的纳米多层膜是可以实现的。

TiAlN/VN纳米多层膜的微结构与力学和摩擦学性能

采用反应磁控溅射制备了Ti Al N/VN纳米多层膜,并使用X射线衍射分析(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、纳米压痕仪和多功能摩擦磨损试验机对多层膜的微结构与力学和摩擦学性能进行了表征和分析。研究结果表明:不同调制周期的Ti Al N/VN多层膜均呈典型的柱状晶生长结构,插入VN层并没有打断Ti Al N涂层柱状晶的生长。在一定调制周期下,Ti Al N/VN纳米多层膜中的Ti Al N和VN层之间能够形成共格生长结构,其硬度和弹性模量相比于Ti Al N单层膜均有显著提升,其中,Ti Al N(10 nm)/VN(10 nm)的硬度和弹性模量最大增量分别达到39.3%和40.9%。Ti Al N/VN纳米多层膜的强化主要与其共格界面生长结构有关。另外,Ti Al N单层膜的摩擦系数较高(~0.9),通过周期性地插入摩擦系数较低的VN层能够使得Ti Al N的摩擦系数大大降低,Ti Al N/VN纳米多层膜的摩擦系数最低为0.4。

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。

ZrCN/VN纳米结构多层膜的微结构、力学性能及摩擦性能研究

通过非平衡磁控溅射的方法制备了不同调制比的ZrCN/VN纳米结构多层膜,采用X射线衍射、纳米压痕仪和高温摩擦磨损仪等对薄膜的微结构、力学性能及摩擦性能进行了研究。结果表明,在ZrCN/VN多层膜中,改变调制比,多层膜始终呈现fcc结构,并且沿(111)面择优生长,当VN调制层厚度为0.2 nm时ZrCN/VN多层膜的硬度达到最大值,为34.5 GPa。常温摩擦系数随VN层厚度的增加先增加后减小,高温摩擦系数逐渐降低,Magnéli相V2O5的生成是摩擦系数降低的主要原因。

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.

AlN在AlN/VN纳米多层膜中的相转变及其对薄膜力学性能的影响

采用反应磁控溅射制备了AlN VN纳米多层膜 .研究了多层膜调制周期对AlN生长结构的影响以及纳米多层膜的力学性能 .结果表明 :小周期多层膜中的AlN以亚稳的立方相 (c AlN)存在并与VN形成共格外延生长的超晶格 .薄膜产生硬度和弹性模量升高的超硬效应 .大调制周期下 ,AlN从立方结构转变为稳定的六方相 (h AlN) ,并使多层膜形成纳米晶的“砖墙”型结构 .讨论认为VN的模板作用有利于c AlN的生长 。