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纳米多层薄膜非线性扩散动力学研究

曹保胜  
【摘要】: 纳米多层薄膜由于存在纳米调制结构及大量界面,使得纳米多层薄膜具有非均匀体系的特殊自由能形式,纳米多层薄膜中原子扩散系数与原子局部浓度紧密相关,导致纳米多层薄膜中的扩散偏离经典扩散定律,呈现特殊浓度分布和浓度演变规律的非线性扩散动力学特征。目前,对于纳米多层薄膜扩散的研究主要集中在实验方面,理论上主要采用经典扩散定律,没有考虑纳米多层薄膜非均匀体系的影响。为了研究纳米多层薄膜中的非线性扩散动力学,进一步完善传统的扩散理论,本论文进行了纳米多层薄膜非线性置换扩散和间隙扩散的理论分析和实验验证。 建立了Martin的非均匀体系置换扩散的非线性动力学离散模型和经典扩散定律之间的相关性,证明了非线性动力学离散模型能够转化为Fick第一定律、Fick第二定律和Cahn-Hilliard扩散方程的形式。采用非线性动力学离散模型计算了AB二元系纳米多层薄膜的置换扩散,推导出与原子局部浓度强相关的原子扩散系数,引入扩散非对称性系数m′和有序能V表征A、B原子相互作用力之差(V_(BB)-V_(AA))、有序能V、扩散温度和扩散方向的变化对AB二元系纳米多层薄膜非线性置换扩散的影响。随着扩散非对称性系数m′的减小,扩散过程中纳米多层薄膜的界面由宽化逐渐向平直转变。随着有序能V的减小,扩散过程中纳米多层薄膜的浓度分布和界面形态不发生改变,但扩散达到平衡所需的时间逐渐较少。通过计算Mo/V纳米多层薄膜小角X射线衍射峰强度随扩散时间的变化,发现Fick扩散定律和Cahn-Hilliard扩散方程等经典扩散定律和非线性动力学离散模型均可合理描述较大调制周期多层薄膜的扩散,随着调制周期的减小,经典扩散定律偏差逐渐增大,纳米尺度下多层薄膜的扩散需用非线性动力学离散模型描述。 根据Hillert的亚点阵模型和Martin的非均匀体系置换扩散的非线性动力学离散模型,建立了非均匀体系间隙扩散的非线性动力学离散模型,引入浓度相关性系数γ和弛豫时间τ表征非均匀体系的非线性间隙扩散。随着浓度相关性系数γ从2.14增大到10.7和21.4,扩散过程中非均匀体系间隙固溶体的界面由宽化逐渐向平直转变,界面厚度逐渐减小。讨论了三种基体亚点阵情况下间隙固溶体的弛豫时间τ对扩散快慢的影响。采用非均匀体系间隙扩散的非线性动力学离散模型计算了MC/M纳米多层薄膜(M=3d过渡族金属元素)和TiC/Ti纳米多层薄膜的间隙扩散,发现纳米多层薄膜的间隙扩散与碳原子间相互作用力V_(CC)和多层薄膜调制比r相关。随着V_(CC)由-0.02 eV减小到-0.06和-0.10eV,多层薄膜界面由宽化逐渐向平直转变,界面厚度逐渐减小,且向MC亚层一侧移动。根据多层薄膜的调制比可以将其间隙扩散分为三个扩散阶段。TiC/Ti纳米多层薄膜扩散过程中碳化物层的厚度变化与其调制比有关,三个扩散阶段的特征时间比与调制周期比成平方关系,计算的TiC/Ti纳米多层薄膜的三个扩散阶段与报道的实验结果相一致。 借鉴Pasturel的双层薄膜渗氢模型,根据亚点阵模型确定间隙固溶体中间隙原子的化学位,分别在多层薄膜亚层内采用Fick第二定律和在多层薄膜界面处采用间隙原子化学位相等的条件,建立了外界输入原子在纳米多层薄膜中的间隙扩散模型。采用此模型计算了纳米多层薄膜的渗氢过程,研究了纳米多层薄膜组成和调制结构、渗氢气氛及氢原子扩散系数的变化对多层薄膜渗氢过程的影响。纳米多层薄膜界面处的间隙原子化学位连续条件是外界输入原子在纳米多层薄膜中的间隙扩散模型的最重要特征,纳米多层薄膜亚层金属与H原子亲合力的差异是纳米多层薄膜界面处的H原子浓度出现上坡扩散的根本原因,并且决定了纳米多层薄膜最终的浓度分布。采用双室高真空多功能磁控溅射装置制备了调制周期A=10-200 nm、调制比1:1的Fe/Ti纳米多层薄膜,在423和463 K的NH_3气氛中对Fe/Ti纳米多层薄膜进行了0-300 min的原位渗氢处理。采用小角/广角X射线衍射分析(SA/WAXRD)、Rutherford背散射谱(RBS)、透射电子显微分析(TEM)和二次离子质谱(SIMS)研究了Fe/Ti纳米多层薄膜渗氢前后的调制结构、相结构和浓度分布。渗氢后的Fe/Ti纳米多层薄膜仍然保持原始多层薄膜的调制结构,Fe、Ti和H原子在多层薄膜中周期分布。渗氢后的Fe/Ti纳米多层薄膜未发生固态界面反应,无金属间化合物形成,α-Fe保持不变,423 K时α-Ti转变为δ-TiH_(2-ε)和β-TiH_x,渗氢温度增加到463 K时,α-Ti转变为δ-TiH_2。渗氢后Fe/Ti纳米多层薄膜中的H原子浓度随渗氢时间的增加而逐渐增大,随多层薄膜调制周期的减小而降低。采用外界输入原子在纳米多层薄膜中的间隙扩散模型计算得到的H原子浓度分布与实验结果符合较好,说明了外界输入原子在纳米多层薄膜中的间隙扩散模型的正确性。


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