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TiN/zrN纳米多层膜的微结构与力学性能

李广泽  
【摘要】: 氮化物纳米多层膜的高硬度在耐磨领域的重要应用潜力,使其成为超硬材料和薄膜材料的研究热点。二十年来,利用纳米多层膜界面效应引起的硬度异常增高、裂纹扩展受阻等特性,获得了许多具有超硬效应的材料体系,在探索纳米多层膜的超硬机制方面取也得了很大的进展。 TiN和ZrN都是性能优良的硬质薄膜,然而,对于由它们组成的TiN/ZrN纳米多层膜的研究不多,而且对其力学性能的变化仍存争议。 本论文采用反应磁控溅射的方法制备了不同TiN、ZrN调制层厚度下的TiN/ZrN多层膜,这些样品形成了一个矩阵。系统研究了TiN、ZrN调制层厚度变化对多层膜微结构和力学性能的影响,并讨论了TiN/ZrN多层膜的断裂方式。得到的主要结论如下: 1.多层膜的择优取向受TiN调制层厚度的影响,随着TiN层厚度增加,由(111)向(200)转变,而ZrN调制层厚度对择优取向影响不大。ZrN调制层的厚度主要影响着成分调制结构的好坏。ZrN层变厚时,低角度XRD谱线变得漫散,成分调制结构被破坏。 2. TiN、ZrN调制层的厚度变化决定了多层膜中异质生长的方式:TiN(x)/ZrN(1nm)纳米多层膜形成了具有(200)择优取向的柱状晶,且多层膜中各调制层界具有清晰的界面结构,此时多层膜具有成分调制、结构连续的特征;而TiN(2nm)/ZrN(y)纳米多层膜形成了具有(111)择优取向的纳米晶,且多层膜的界面不明锐。 3.以上两种生长特征决定了TiN(x)/ZrN(1nm)纳米多层膜和TiN(2nm)/ZrN(y)纳米多层膜力学性能的不同,TiN(x)/ZrN(1nm)纳米多层膜的力学性能可能受到共格界面的作用,而TiN(2nm)/ZrN(y)纳米多层膜的力学性能仅仅是多层膜中调制层力学性能“混合法则”的体现。 4.在TiN/ZrN纳米多层膜中观察到两种断裂模式:(1)沿柱状晶晶界垂直与薄膜表面的断裂,(2)平行与薄膜表面,在某一调制层内穿越数个柱状晶界面的断裂。后者常常存在与TiN调制层中,而且这种断裂模式有利于多层膜断裂韧度的提高。


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