《纳米硬质薄膜》PPT课件

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1、纳米硬质薄膜材料一、纳米硬质薄膜简介二、纳米薄膜材料的分类及功能特性三、纳米薄膜材料未来研究方向一、纳米硬质薄膜简介1.概述纳米硬质薄膜（涂层）具有超硬、强韧、耐摩擦、耐腐蚀、耐高温等良好的性能，大幅度提高了涂层产品（金属切削刀具）的使用寿命，引起了人们的极大兴趣。尤其是德国材料学家Veprek提出了纳米复合超硬薄膜的设计概念，超硬膜得到了快速的发展，其应用也将更加广泛。2.概念的提出：①上个世纪70年代，Koehler提出了超晶格的概念后，新型纳米多层硬质涂层得到了快速发展。他认为多层膜结构的每层膜的厚度

2、足够薄时，弹性模量小的组分的位错将很难通过界面移动到模量高的组分中，且调制周期的减小防止了位错在低模量中增殖，这样对位错的生长与移动的阻碍，提高了薄膜的硬度。②90年代初，Veprek发展了Koehler的思想，提出了由纳米晶和非晶构成的纳米复合硬质涂层的设计概念。他认为这种薄膜结构的非晶相相对于位错具有镜像排斥力，可阻止位错的移动，另一方面，非晶体可以良好的容纳随机取向的晶粒的错配，从而提高薄膜的硬度。二、纳米硬质薄膜的分类及功能特性1.纳米多层膜概念：由两种或两种以上材料以纳米级厚度交替沉积而形成的多层

3、结构薄膜。如图所示。多层膜结构示意图实验及结论TiN/AlN多层膜是利用电弧离子镀设备制备的，如图所示。如图所示，表示了TiN/AlN纳米多层膜的硬度与调制周期的关系曲线。在超阵点周期为2.5nm时显示最大硬度（大约40Gpa)。它是TiN单相涂层硬度的1.6倍。这表明：TiN/AlN纳米多层膜存在超硬度效应。这是因为两层材料的剪切模量存在较大差异时，超晶格涂层的硬度提高很大。2.纳米复合薄膜概念：一种材料（纳米晶）的纳米晶粒镶嵌在另一种材料（非纳米晶）中而形成硬度>40GPa的固体薄膜。如图所示。实验及结

4、论：Veprek采用等离子化学气相沉积（PCVD)方法制备了nc-MEN/a-Si3N4(ME=Ti,W,V)复合薄膜。如图所示。①如图所示，纳米复合超硬薄膜具有相当高的硬度。随着Si含量的升高，其弹性模量和硬度变化大致相同，在Si含量在8%左右时达到最大（约为50Gpa），然后逐渐下降。这表明：Si能对nc-TiN/a-Si3N4薄膜起到固溶强化的作用。②如图所示，纳米复合超硬材料具有良好的抗氧化性和热化学稳定性。TiN在600℃时出现了较大的氧化速率，而nc-TiN/a-Si3N4薄膜的氧化过程比较缓慢

5、。这表明：Si3N4能有效阻止氧向内扩散，因此Si3N4层越厚，抗氧化性越好。③如图所示,表示了晶粒尺寸大小与热稳定性和硬度变化的关系。晶粒越小的薄膜，其稳定性越好，硬度也越大。这表明：纳米复合薄膜系统中晶粒尺寸对硬度起关键作用。根据Hall-petch关系来描述这主要是因为小尺寸纳米晶阻碍了位错的发展，在边界处没有位错可以聚集。因此对于材料内部晶粒的重排和设计是必要的，这样的纳米复合结构对于提高薄膜热稳定性也至关重要。发展方向:①要深入理解超硬膜的理论解释。②研究其他合金元素对膜性能影响，开发出多元多层纳

6、米复合膜，通过优化各元素组分来提高和完善材料的机械性能。③晶粒尺寸在1nm时的材料性能研究。④发展一些在1500℃以上具有热稳定性和抗氧化性的纳米复合硬质薄膜。⑤发展一些具有高韧性和高抗裂性的硬质薄膜。三、纳米薄膜材料未来研究方向