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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。 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