vnsiolt2gt和tialnsilt3gtnlt4gt纳米多层膜的微结构、超硬效应与高温稳定性

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1、上海交通大学硕士学位论文摘要VN/SiO2和TiAlN/Si3N4纳米多层膜的微结构、超硬效应与高温稳定性摘要纳米多层膜的高硬度和材料组合的多样性使其在刀具涂层等表面改性领域有广阔的应用前景，而这类材料通过微结构强化获得高硬度的超硬效应更具理论研究价值。近年来的研究表明，利用纳米多层膜晶体生长的“模板效应”可以使通常其相沉积条件下以非晶态存在的材料晶体化，并使多层膜获得超硬效应。然而，采用此方法获得具有超硬效应纳米多层膜的具体材料组合仍需进行实验探索。另一方面，由于刀具在服役中要承受很高的温升，纳米多层膜的高温稳定性是这类材料用于生产的关键性能之一

2、。本文采用反应溅射方法制备了VN/SiO2纳米多层膜，研究了气相沉积时候通常为非晶态的SiO2和Si3N4在VN和TiAlN晶体层上的晶化条件以及VN/SiO2、TiAlN/Si3N4纳米多层膜的生长结构，超硬效应和强化机制；考察了TiAlN/Si3N4多层膜的高温稳定性。研究结果表明：1．用V靶和SiO2靶在Ar-N2混合气氛中进行反应溅射可以方便地制备VN/SiO2纳米多层膜。在由此制备的VN/SiO2纳米多层膜中，通常以非晶态存在的SiO2在其厚度小于约1nm时，因VN晶体层模板效应而晶化为NaCl结构的赝晶体，并与VN层形成具有明晰界面的共

3、格外延生长结构的柱状晶，多层膜呈现强烈的（200）织i上海交通大学硕士学位论文摘要构。相应地，多层膜的硬度得到显著提高，最高硬度达到34GPa。随着SiO2层厚度的进一步增加，SiO2层逐渐转变为非晶态，破坏了多层膜的共格外延生长，其硬度也随之降低。2.VN层厚度的增加对纳米多层膜的生长结构影响不明显，多层膜随着VN厚度的增加仍保持共格外延生长方式，多层膜的硬度增量逐步减小，至VN层厚达37nm时，多层膜的硬度与VN单层膜相当。由于反应溅射VN具有很高的沉积效率，利用在Ar-N2气氛中制备高硬度氮化物/氧化物纳米多层膜方法具有广阔的工业应用前景。3

4、.在TiAlN/Si3N4纳米多层膜中，NaCl结构的TiAlN模层可以使Si3N4在小于0.9nm时形成晶体态，并与晶体层形成共格外延生长结构，TiAlN/Si3N4多层膜产生拉压交变的应力场，其硬度相应得到提高，最高硬为39GPa。Si3N4层随厚度的进一步增加又转变为非晶形式生长，多层膜的共格外延生长遭到破坏，其硬度也随之降低。4．高温退火后，TiAlN/Si3N4多层膜中调制结构与晶体结构能在800℃下保持稳定，但多层膜中因共格生长所产生的的交变应力场在600℃以上逐步消失，其超硬效应也随之消失。研究表明，纳米多层膜因共格外延生长所产生的交

5、变应力场是其得以强化的微结构原因。关键词：VN/SiO2纳米多层膜，TiAlN/Si3N4纳米多层膜，反应溅射，非晶晶化，超硬效应，共格界面，力学性能，高温稳定性。ii上海交通大学硕士学位论文AbstractThemicrostructure、superhardnesseffectandhightemperatureoxidationresistanceofVN/SiO2andTiAlN/Si3N4filmsABSTRACTUltra-highhardnessandvariousmaterialcombinationsensurenano-scal

6、emultilayersextensivelyappliedinsurfacemodificationforprotectivecoatingsoncuttingtools.Butcomparedwiththegoodpropertiesofsuchfilms,itismoreimportantandvaluabletoinvestigatehowsuperhardnesseffectisachievedthroughmodifyingthemicrostructure.Recentinvestigationsindicatethatamorpho

7、usmaterialmaybecrystallizedundertheinfluenceof“TemplateEffects”occurringinthenano-scalemultilayers,accompaniedwithultra-highhardnessachievement.While,examplesofspecificmaterialcombinationsforsuchsuperhardnano-scalemultilayersarestillscarce,soitisrequiredtocarryoutinvestigation

8、sonthepreparationapproachandthesuperhardnessmechanism.Because