納米硬質(zhì)薄膜課件

納米硬質(zhì)薄膜材料

一、納米硬質(zhì)薄膜簡介

二、

納米薄膜材料的分類及功能特性

三、

納米薄膜材料未來研究方向

一、納米硬質(zhì)薄膜簡介

1.概述納米硬質(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。尤其是德國材料學(xué)家Veprek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)展，其應(yīng)用也將更加廣泛。2.概念的提出：①上個世紀(jì)70年代，Koehler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)構(gòu)的每層膜的厚度足夠薄時，彈性模量小的組分的位錯將很難通過界面移動到模量高的組分中，且調(diào)制周期的減小防止了位錯在低模量中增殖，這樣對位錯的生長與移動的阻礙，提高了薄膜的硬度。②90年代初，Veprek發(fā)展了Koehler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)為這種薄膜結(jié)構(gòu)的非晶相相對于位錯具有鏡像排斥力，可阻止位錯的移動，另一方面，非晶體可以良好的容納隨機(jī)取向的晶粒的錯配，從而提高薄膜的硬度。實(shí)驗(yàn)及結(jié)論TiN/AlN多層膜是利用電弧離子鍍設(shè)備制備的，如圖所示。如圖所示，表示了TiN/AlN納米多層膜的硬度與調(diào)制周期的關(guān)系曲線。在超陣點(diǎn)周期為2.5nm時顯示最大硬度（大約40Gpa)。它是TiN單相涂層硬度的1.6倍。這表明：TiN/AlN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，超晶格涂層的硬度提高很大。實(shí)驗(yàn)及結(jié)論：

Veprek采用等離子化學(xué)氣相沉積（PCVD)方法制備了nc-MEN/a-Si3N4(ME=Ti,W,V)復(fù)合薄膜。如圖所示。①如圖所示，納米復(fù)合超硬薄膜具有相當(dāng)高的硬度。隨著Si含量的升高，其彈性模量和硬度變化大致相同，在Si含量在8%左右時達(dá)到最大（約為50Gpa），然后逐漸下降。這表明：Si能對nc-TiN/a-Si3N4薄膜起到固溶強(qiáng)化的作用。②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。TiN在600

℃時出現(xiàn)了較大的氧化速率，而nc-TiN/a-Si3N4薄膜的氧化過程比較緩慢。這表明：Si3N4能有效阻止氧向內(nèi)擴(kuò)散，因此Si3N4層越厚，抗氧化性越好。發(fā)展方向:①要深入理解超硬膜的理論解釋。②研究其他合金元素對膜性能影響，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完善材料的機(jī)械性能。③晶粒尺寸在1nm時的材料性能研究。④發(fā)展一些在1500℃