非晶碳类薄膜多层结构设计与机械特性概述.docVIP

　　非晶碳类薄膜多层结构设计与机械特性概述 第一章绪 论 随着科技的发展，各种特殊的用途和苛刻的服役环境使得对材料的综合性能，如强度、抗磨、抗高温氧化和抗腐蚀等性能提出了越来越高的要求。材料表面工程利用各种表面改性技术，提高工件材料表面的硬度、韧性、耐磨性和高温稳定性等，保护工件免受磨损和腐蚀，从而大大提高产品的使用寿命。因此被广泛应用于机械制造、地质钻探、汽车工业、微电子、航天航空等几乎所有的传统和新兴工业领域 [1]。如今，随着科学研究和工业生产的重视，涂层材料的制备手段从最初的涂覆、电沉积等手段发展到了工艺易于调节、精度更高的真空沉积技术。在资源日益紧缺的今天，有效地延长工件的使用寿命，提高工件的服役能力，成为保护性薄膜材料不断发展更新的动力。薄膜材料的选择多种多样，其中由于纳米结构材料具有特殊的物理和化学性质，以及由此产生特殊的应用价值，因此得到了广泛使用。纳米结构薄膜的设计和制备一般要考虑很多因素，如晶粒尺寸、周期厚度、界面体积比和界面等，而这些因素又与沉积的方法和材料的种类有关，因此探讨这些因素之间的关系，制备出高硬度和韧性的薄膜是我们所要努力的方向。纳米多层结构和复合结构在提高薄膜的硬度和韧性方面具有广泛的应用前景，得到了研究者的重视。 1.1纳米多层膜的研究现状 在沉积方向上重复结构单元 A 和 B 的厚度之和被称为调制周期 (Lambda;= lA+ lB)，一个调制周期中调制层 A 和调制层 B 的厚度之比称为调制比 (R= lA: lB)，纳米多层膜的调制周期通常小于 100 nm。通过选用不同的调制层材料、改变调制周期和调制周期比，可以制备出结构和性能各异的多层薄膜。纳米多层薄膜从材料组合上有金属/金属、陶瓷/陶瓷和金属/陶瓷，各调制层的晶体结构可以是各种类型的单晶、多晶或非晶，因而将形成极为复杂的界面结构。纳米多层薄膜大量界面的存在，对增加薄膜的硬度和韧性，阻碍裂纹扩展以及提高抗磨性能起着很大的作用，目前已在光学、电子行业和抗腐蚀耐磨方面得到了应用[2]。 1.1.1纳米多层膜的超硬现象及致硬机理 经过多年的研究，人们对纳米多层膜的超硬效应在材料学理论范围提出了一些合理的解释。主要包括模量差理论、固溶体强化理论、Hall-Petch 强化理论、界面协调应变效应和界面位错阻碍效应，一定程度上解释了纳米多层膜的超硬现象，但是由于纳米多层薄膜种类繁多，结构各异，形成的界面及其复杂，目前仍以实验探索作为获得高硬度纳米多层薄膜的主要研究方法。交变应力场产生的原因是组成纳米多层薄膜的两种材料晶格常数不同，调制层之间存在晶格失配，在界面处出现共格错配。当薄膜外延沉积在单晶基底上时，它的晶格常数最开始会与基底的晶格常数完全匹配生长，即所说的协调生长，由于沉积的薄膜材料与基底材料一般具有不同的晶格常数，这种晶格错配导致薄膜中产生弹性应力及应变，而基底基本保持不受应力的状态。在多层膜中也类似，膜层之间完全协调的情况下，该协调晶面内的两种膜层材料的所有晶格常数是一致的，并且每层间都存在弹性应力和应变，这种应力就是薄膜的协调应力，应力的大小是由最初的晶格错配度决定的。在共格生长的纳米多层膜中，晶格常数相对较小的调制层受拉应力，而晶格常数大的则受压应力，所以在多层膜中产生了拉压应力场。Geyang,Li[13]等人提出了多层膜中共格错配形成的交变应力场模型，定性地讨论了交变应力场的分布和应力振幅随多层膜调制周期变化的关系，对 TiN/NbN 纳米多层膜硬度随调制周期变化提出了相应的解释。Grinfeld[14]等人通过对 Ti-Al 多层结构的协调应力的研究发现，当膜层足够薄以致出现大量共格应变、同时又不会产生界面扩散造成界面松弛时，多层膜的硬度会出现最高值。另外也有实验结果[15]指出，如果两体系仅仅由于错配度的不同，结果硬度曲线形状完全相同而硬度峰值产生少许变化，错配度大的体系引起较大的应变，因此硬度值较高，这也证明了该理论的准确性。 第二章 层间模量比对 DLC 多层薄膜的结构和力学性能的影响 2.1 引言 近年来关于多层结构的增强硬度和韧性[1-4]的研究成果对于帮助设计既硬且韧的陶瓷材料是非常有帮助的。O. Kolednik 等人系统的研究了在裂纹尖端驱动力的影响下，多层结构中弹性模量和残余应力空间变化的影响[4-6]。数值模拟表明，残余应力变化所产生的影响远远大于弹性模量的变化[4]。实验结果证明多层结构可以提高陶瓷材料好几倍的韧性[4,7,8]。对于陶瓷块体材料，它的断裂韧性是通过对预制裂纹的传播来确定的，但是这种方法明显并不适用于薄膜材料。薄膜韧性的测量方式不同于经典断裂韧性的测量，那么多层结构对陶瓷材料的增强增韧的结论是否也适用于薄膜材料，如何提高薄膜材料的韧性和耐磨性能，