TiC基納米多層膜的微結(jié)構(gòu)和超硬效應(yīng).pdf

1、納米多層膜可因超硬效應(yīng)獲得高硬度，材料組合的多樣性則可使這類材料同時(shí)兼具優(yōu)異的綜合性能。早期具有超硬效應(yīng)的納米多層膜主要由兩種晶體氮化物組成?；谀０逍?yīng)的非晶晶化技術(shù)路線，不同種類的非晶材料已被用于高硬度的納米多層膜，然而作為晶體模板層的調(diào)制層仍主要由氮化物組成，較少涉及晶體態(tài)的碳化物、硼化物或氧化物，材料體系的拓展仍是高硬度納米多層膜研究的重要方面。
　　 為將高硬度納米多層膜的材料體系由氮化物基拓展至碳化物基。論文在研究T

2、iC薄膜制備技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并制備了TiC與立方結(jié)構(gòu)氮化物組成TiC/TiN納米多層膜、混合結(jié)構(gòu)碳化物組成TiC/WC納米多層膜、非晶氮化物、碳化物組成TiC/Si3N4和TiC/SiC納米多層膜、以及可反應(yīng)碳化物組成TiC/B4C納米多層膜。研究了這些不同類型納米多層膜的微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，并進(jìn)一步研究了調(diào)制結(jié)構(gòu)對(duì)納米多層膜力學(xué)性能的影響規(guī)律。
　　 論文的主要結(jié)論如下:
　　 1、采用反應(yīng)濺射制備TiC薄膜時(shí)，通過調(diào)

3、節(jié)C2H2分壓可以控制TiC薄膜的成分、相組成、微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，合適的C2H2分壓下可獲得結(jié)晶好、硬度高的單相TiC薄膜，實(shí)驗(yàn)獲得TiC薄膜最高硬度為31.6GPa。采用化合物靶濺射制備TiC時(shí)，薄膜的沉積速率、微結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分及力學(xué)性能皆受基片溫度和濺射氣壓(Ar)的影響。其中濺射氣壓的影響較為明顯，而基片溫度在150℃-450℃間時(shí)對(duì)TiC薄膜結(jié)晶性能和硬度的影響有限。
　　 陶瓷靶濺射制備TiC薄膜中，在TiC靶中增加T

4、i含量形成的富Ti靶(Ti∶C=11∶9)可獲得結(jié)晶良好的單相TiC薄膜;化學(xué)計(jì)量比的TiC靶由于其成分處于相圖TiC+C兩相區(qū)，游離的C原子降低了薄膜的結(jié)晶程度和力學(xué)性能;而高富Ti的TiC靶(Ti∶C=2∶1)所得薄膜因產(chǎn)生Ti相而形成Ti+TiC兩相結(jié)構(gòu)。由于可避免反應(yīng)濺射中反應(yīng)氣體與其他組成物的反應(yīng)，采用富Ti的TiC靶(Ti∶C=11∶9)的直接濺射法更有益于與其他材料匹配制備納米多層膜。
　　 2、對(duì)由TiN分別與富

5、鈦和化學(xué)計(jì)量比的TiC靶制備的同晶體結(jié)構(gòu)TiC0.8/TiN和TiC1.0/TiN納米多層膜的研究發(fā)現(xiàn)，TiC0.8/TiN納米多層膜形成的共格外延生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)可保持至14.4nm的調(diào)制周期，并獲得最高硬度為38.6GPa的超硬效應(yīng)。而TiC1.0/TiN納米多層膜雖也可在3.0nm的調(diào)制周期下獲得共格外延生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，并獲得超硬效應(yīng)，但其最高硬度僅為30.9GPa。這一對(duì)比性結(jié)果揭示了組成物調(diào)制層的結(jié)晶狀態(tài)對(duì)納米多層膜的共格結(jié)構(gòu)和超硬效應(yīng)的重

6、要影響。
　　 3、對(duì)TiC與混合結(jié)構(gòu)WC組成的TiC/WC納米多層膜的研究表明，在TiC調(diào)制層的模板作用下，WC層在厚度小于約1.2nm時(shí)形成與TiC完全相同的立方結(jié)構(gòu)調(diào)制層，且與其形成共格外延生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，多層膜的晶體完整性也因互促效應(yīng)而得到顯著提高，并在lWC=0.5nm時(shí)獲得41.5GPa的最高硬度。當(dāng)WC層因厚度的進(jìn)一步增加時(shí)，其又轉(zhuǎn)變?yōu)橐曰旌辖Y(jié)構(gòu)形式生長(zhǎng)，因而破壞了多層膜的共格外延結(jié)構(gòu)，與其對(duì)應(yīng)的多層膜硬度也隨之降低。<

7、br>　　 4、在TiC與非晶態(tài)的Si3N4和SiC組成TiC/Si3N4、TiC/SiC的納米多層膜中，由于TiC模板層作用，非晶態(tài)的SiC和Si3N4層均在厚度較薄時(shí)（約0.5nm）被晶化為與TiC相同的立方結(jié)構(gòu)并與TiC層共格外延生長(zhǎng)，兩類多層膜都取得了硬度增高的超硬效應(yīng)(其最高硬度分別為36.9GPa和37.0GPa)。隨著SiC層和Si3N4層厚度的增加，多層膜的共格結(jié)構(gòu)逐漸遭到破壞，硬度也逐漸降低。
　　 5、對(duì)具

8、有界面反應(yīng)的TiC/B4C納米多層膜的研究發(fā)現(xiàn)，B4C層在厚度約為0.5nm時(shí)全部反應(yīng)生成TiB2的調(diào)制層，多層膜轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂泄哺裆L(zhǎng)的TiCx/TiB2納米多層膜，并獲得硬度異常增高的超硬效應(yīng)，最高硬度達(dá)到40GPa。進(jìn)一步增加B4C層的厚度，剩余未反應(yīng)的非晶B4C層將破壞多層膜的共格外延生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，多層膜形成TiCx/TiB2/B4C的三層結(jié)構(gòu)，其硬度則相應(yīng)顯著降低。并基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了兩調(diào)制層具有界面反應(yīng)特征納米多層膜獲得超硬效應(yīng)的設(shè)

9、計(jì)要點(diǎn):1、組成納米多層膜的兩調(diào)制層中至少一層需為晶體層，以作為界面反應(yīng)層晶體生長(zhǎng)的模板層;2、另一調(diào)制層（可為非晶層）的厚度應(yīng)較小(≤1nm)，以使其能夠通過界面反應(yīng)全部形成新的調(diào)制層;3、界面反應(yīng)生成物與晶體模板層間應(yīng)不具互溶性，以獲得明銳的層間界面;4、較厚的晶體模板層應(yīng)具有較大的固溶度，以能夠吸收反應(yīng)生成物中多余的游離原子。
　　 6、對(duì)TiC/TiN納米多層膜調(diào)制結(jié)構(gòu)參數(shù)與力學(xué)性能關(guān)系的研究表明，只有當(dāng)納米多層膜的調(diào)制

10、周期和各調(diào)制層的厚度均較小，調(diào)制層形成了清晰界面的層狀結(jié)構(gòu)并具有共格外延生長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)特征時(shí)，多層膜才能產(chǎn)生硬度異常升高的超硬效應(yīng);而隨調(diào)制結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變，減少調(diào)制層厚度將導(dǎo)致多層膜的界面混合區(qū)比例增大，增大調(diào)制層厚度則使界面數(shù)量減少，共格外延生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)也會(huì)遭到破壞，這些結(jié)構(gòu)的改變都使納米多層膜的硬度明顯降低。本文所建立的納米多層膜調(diào)制結(jié)構(gòu)參數(shù)與硬度的關(guān)系圖可為納米多層膜獲得超硬效應(yīng)的設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。
　　 基于以上研究結(jié)果，論文