納米硬質(zhì)薄膜課件

1、納米硬質(zhì)薄膜納米硬質(zhì)薄膜材料納米硬質(zhì)薄膜材料 一、一、 納米硬質(zhì)薄膜簡(jiǎn)介納米硬質(zhì)薄膜簡(jiǎn)介 二、二、 納米薄膜材料的分類及功能特性納米薄膜材料的分類及功能特性 三、三、 納米薄膜材料未來研究方向納米薄膜材料未來研究方向納米硬質(zhì)薄膜 一、納米硬質(zhì)薄膜簡(jiǎn)介一、納米硬質(zhì)薄膜簡(jiǎn)介 1 1. .概述概述 納米硬質(zhì)薄膜（涂層）具有超硬、強(qiáng)韌、耐摩擦、納米硬質(zhì)薄膜（涂層）具有超硬、強(qiáng)韌、耐摩擦、耐腐蝕、耐高溫等良好的性能，大幅度提高了涂層耐腐蝕、耐高溫等良好的性能，大幅度提高了涂層產(chǎn)品（金屬切削刀具）的使用壽命，引起了人們的產(chǎn)品（金屬切削刀具）的使用壽命，引起了人們的極大興趣。尤其是德國(guó)材料學(xué)家極大興趣。尤其

2、是德國(guó)材料學(xué)家VeprekVeprek提出了納米提出了納米復(fù)合超硬薄膜的設(shè)計(jì)概念，超硬膜得到了快速的發(fā)復(fù)合超硬薄膜的設(shè)計(jì)概念，超硬膜得到了快速的發(fā)展，其應(yīng)用也將更加廣泛。展，其應(yīng)用也將更加廣泛。納米硬質(zhì)薄膜2.2.概念的提出概念的提出 ：上個(gè)世紀(jì)上個(gè)世紀(jì)70年代，年代，Koehler提出了超晶格的概念后，新提出了超晶格的概念后，新型納米多層硬質(zhì)涂層得到了快速發(fā)展。他認(rèn)為多層膜結(jié)型納米多層硬質(zhì)涂層得到了快速發(fā)展。他認(rèn)為多層膜結(jié)構(gòu)的每層膜的厚度足夠薄時(shí)，彈性模量小的組分的位錯(cuò)構(gòu)的每層膜的厚度足夠薄時(shí)，彈性模量小的組分的位錯(cuò)將很難通過界面移動(dòng)到模量高的組分中，且調(diào)制周期的將很難通過界面移動(dòng)到模量高的

3、組分中，且調(diào)制周期的減小防止了位錯(cuò)在低模量中增殖，這樣對(duì)位錯(cuò)的生長(zhǎng)與減小防止了位錯(cuò)在低模量中增殖，這樣對(duì)位錯(cuò)的生長(zhǎng)與移動(dòng)的阻礙，提高了薄膜的硬度。移動(dòng)的阻礙，提高了薄膜的硬度。90年代初，年代初，VeprekVeprek發(fā)展了發(fā)展了Koehler的思想，提出了由納的思想，提出了由納米晶和非晶構(gòu)成的納米復(fù)合硬質(zhì)涂層的設(shè)計(jì)概念。他認(rèn)米晶和非晶構(gòu)成的納米復(fù)合硬質(zhì)涂層的設(shè)計(jì)概念。他認(rèn)為這種薄膜結(jié)構(gòu)的非晶相相對(duì)于位錯(cuò)具有鏡像排斥力，為這種薄膜結(jié)構(gòu)的非晶相相對(duì)于位錯(cuò)具有鏡像排斥力，可阻止位錯(cuò)的移動(dòng)，另一方面，非晶體可以良好的容納可阻止位錯(cuò)的移動(dòng)，另一方面，非晶體可以良好的容納隨機(jī)取向的晶粒的錯(cuò)配，從而提高

4、薄膜的硬度。隨機(jī)取向的晶粒的錯(cuò)配，從而提高薄膜的硬度。納米硬質(zhì)薄膜二、納米硬質(zhì)薄膜的分類及功能特性二、納米硬質(zhì)薄膜的分類及功能特性1.1.納米多層膜納米多層膜概念：由兩種或兩種以上材料以納米級(jí)厚度交替沉積而概念：由兩種或兩種以上材料以納米級(jí)厚度交替沉積而形成的多層結(jié)構(gòu)薄膜。如圖所示。形成的多層結(jié)構(gòu)薄膜。如圖所示。多層膜結(jié)構(gòu)示意圖 納米硬質(zhì)薄膜實(shí)驗(yàn)及結(jié)論實(shí)驗(yàn)及結(jié)論 TiN/AlN多層膜是利用電弧離子鍍?cè)O(shè)備制備的，如多層膜是利用電弧離子鍍?cè)O(shè)備制備的，如圖所示。圖所示。納米硬質(zhì)薄膜納米硬質(zhì)薄膜如圖所示，表示了如圖所示，表示了TiN/AlNTiN/AlN納米多層膜的硬度與納米多層膜的硬度與調(diào)制周期的關(guān)

5、系曲線。在超陣點(diǎn)周期為調(diào)制周期的關(guān)系曲線。在超陣點(diǎn)周期為2.5nm2.5nm時(shí)時(shí)顯示最大硬度（大約顯示最大硬度（大約40Gpa)40Gpa)。它是。它是TiNTiN單相涂層單相涂層硬度的硬度的1.61.6倍。倍。這表明：這表明： TiN/AlN TiN/AlN納米多層膜存在超硬度效應(yīng)。納米多層膜存在超硬度效應(yīng)。這是因?yàn)閮蓪硬牧系募羟心Ａ看嬖谳^大差異時(shí)，這是因?yàn)閮蓪硬牧系募羟心Ａ看嬖谳^大差異時(shí)，超晶格涂層的硬度提高很大。超晶格涂層的硬度提高很大。納米硬質(zhì)薄膜2.2.納米復(fù)合薄膜納米復(fù)合薄膜概念：一種材料（納米晶）的納米晶粒鑲嵌在另一種材概念：一種材料（納米晶）的納米晶粒鑲嵌在另一種材料（非納米晶

6、）中而形成硬度料（非納米晶）中而形成硬度40GPa的固體薄膜。如的固體薄膜。如圖所示。圖所示。納米硬質(zhì)薄膜實(shí)驗(yàn)及結(jié)論：實(shí)驗(yàn)及結(jié)論： VeprekVeprek采用等離子化學(xué)氣相沉積（采用等離子化學(xué)氣相沉積（PCVD)PCVD)方法制備方法制備了了nc-MEN/a-Sinc-MEN/a-Si3 3N N4 4(ME=Ti,W,V)(ME=Ti,W,V)復(fù)合薄膜。如圖所示。復(fù)合薄膜。如圖所示。納米硬質(zhì)薄膜納米硬質(zhì)薄膜如圖所示，納米復(fù)合超硬薄膜具有相當(dāng)高的硬如圖所示，納米復(fù)合超硬薄膜具有相當(dāng)高的硬度。隨著度。隨著SiSi含量的升高，其彈性模量和硬度變含量的升高，其彈性模量和硬度變化大致相同，在化大致相

7、同，在SiSi含量在含量在8%8%左右時(shí)達(dá)到最大左右時(shí)達(dá)到最大（約為（約為50Gpa50Gpa），然后逐漸下降。），然后逐漸下降。這表明：這表明：SiSi能對(duì)能對(duì)nc-TiN/a-Sinc-TiN/a-Si3 3N N4 4薄膜起到固溶強(qiáng)薄膜起到固溶強(qiáng)化的作用?；淖饔?。納米硬質(zhì)薄膜納米硬質(zhì)薄膜如圖所示，納米復(fù)合超硬材料具有良好的抗氧如圖所示，納米復(fù)合超硬材料具有良好的抗氧化性和熱化學(xué)穩(wěn)定性?；院蜔峄瘜W(xué)穩(wěn)定性。TiNTiN在在600600 時(shí)出現(xiàn)了較時(shí)出現(xiàn)了較大的氧化速率，而大的氧化速率，而nc-TiN/a-Sinc-TiN/a-Si3 3N N4 4薄膜的氧化薄膜的氧化過程比較緩慢。過程比

8、較緩慢。這表明：這表明：SiSi3 3N N4 4能有效阻止氧向內(nèi)擴(kuò)散，因此能有效阻止氧向內(nèi)擴(kuò)散，因此SiSi3 3N N4 4層越厚，抗氧化性越好。層越厚，抗氧化性越好。納米硬質(zhì)薄膜納米硬質(zhì)薄膜納米硬質(zhì)薄膜如圖所示如圖所示, ,表示了晶粒尺寸大小與熱穩(wěn)定性和表示了晶粒尺寸大小與熱穩(wěn)定性和硬度變化的關(guān)系。晶粒越小的薄膜，其穩(wěn)定性硬度變化的關(guān)系。晶粒越小的薄膜，其穩(wěn)定性越好，硬度也越大。越好，硬度也越大。這表明：納米復(fù)合薄膜系統(tǒng)中晶粒尺寸對(duì)硬度起這表明：納米復(fù)合薄膜系統(tǒng)中晶粒尺寸對(duì)硬度起關(guān)鍵作用。根據(jù)關(guān)鍵作用。根據(jù)Hall-petchHall-petch關(guān)系來描述這主要關(guān)系來描述這主要是因?yàn)樾〕?/p>

9、寸納米晶阻礙了位錯(cuò)的發(fā)展，在邊是因?yàn)樾〕叽缂{米晶阻礙了位錯(cuò)的發(fā)展，在邊界處沒有位錯(cuò)可以聚集。因此對(duì)于材料內(nèi)部晶界處沒有位錯(cuò)可以聚集。因此對(duì)于材料內(nèi)部晶粒的重排和設(shè)計(jì)是必要的，這樣的納米復(fù)合結(jié)粒的重排和設(shè)計(jì)是必要的，這樣的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)于提高薄膜熱穩(wěn)定性也至關(guān)重要。構(gòu)對(duì)于提高薄膜熱穩(wěn)定性也至關(guān)重要。納米硬質(zhì)薄膜發(fā)展方向發(fā)展方向:要深入理解超硬膜的理論解釋。要深入理解超硬膜的理論解釋。研究其他合金元素對(duì)膜性能影響，開發(fā)出多元研究其他合金元素對(duì)膜性能影響，開發(fā)出多元多層納米復(fù)合膜，通過優(yōu)化各元素組分來提高和多層納米復(fù)合膜，通過優(yōu)化各元素組分來提高和完善材料的機(jī)械性能。完善材料的機(jī)械性能。晶粒尺寸在晶粒尺寸在1nm時(shí)的材料性