alnnbn、alnzrn纳米多层膜和zr，aln薄膜的微结构和性能

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1、大摘要AlN/NbN、AlN/ZrN纳米多层膜和(Zr，Al)N薄膜的微结构与性能研究摘要过渡族金属氮化物(MeN)薄膜具有高硬度、低摩擦系数及良好的抗磨损性能，在刀具、耐磨部件等众多工业领域得到广泛应用。随着现代制造业的发展，实际生产对薄膜的硬度、热稳定性等性能提出了更高的要求，目前通过纳米多层膜技术和添加B、Al、Si、Cr等元素是进一步提高氮化物(MeN)薄膜性能的有效途径。因此，本文采用磁控反应溅射方法制备了一系列不同调制周期的AlN/NbN和AlN/ZrN纳米多层膜以及不同Al含量的(Zr，Al)N薄膜。研究了

2、AlN/NbN纳米多层膜的生长结构和力学性能，从材料热力学角度分析了AlN/NbN多层膜的生长结构并与AlN/TiN体系作了比较，讨论了多层膜发生塑性变形时位错可能借助的运动机制并计算了异结构对薄膜硬度增加的贡献；研究了AlN/ZrN纳米多层膜的生长结构和力学性能，讨论了AlN/ZrN纳米多层膜几种可能的生长结构；研究了Al含量对(Zr，Al)N薄膜的结构、力学性能及高温抗氧化性的影响。研究结果如下：AlN/NbN纳米多层膜的调制周期从3.0nm变化至26.0nm，AlN层和NbN层均为异结构共格生长，其共格关系为｛11

3、1｝fcc-NbN‖｛0001｝h-AllN，错配度为0.14%。显微硬度维持在30GPa左右。在不同的调制周期AlN始终以六方相(h-AlN)的形式存在即使厚度为1.5nm时也没有出现立方相这与AlN/TiN体系不同，原因在于AlN/NbN体系中AlN以六方相生长时体系的能量比立方相的低。AlN/NbN纳米多层膜发生塑性变形时位错可能存在两种运动机制，分析认为位错借助穿过层界的机制运动更符合实际情况，在该机制下异结构对薄膜硬度增加的贡献为14.7%，表明异结构对纳米多层膜硬度的影响不大。AlN/ZrN纳米多层膜的调制周

4、期从30nm减小到2nm，AlN层和ZrN层始终保持各自稳定的六方结构和面心立方。调制周期从6nm变化至2nm，AlN/ZrN多层膜的AlN与ZrN很可能形成异结构外延结构，其外延关系为｛111｝fcc-ZrN‖｛0001｝h-AlN。在不同的调制周期，多层膜的硬度始终在ZrN单层膜和AlN单层膜之间，弹性模量比两者都小。当Al含量为0at%~20.31at%之间时，(Zr,Al)N薄膜是B1型(NaCl)单相结构；当Al含量为31.82at%时,同时出现B1和B4型(ZnS)双相结构；当Al含量超过36.82at%，以

5、B4结构为主。随着Al含量的增加，薄膜晶面间距减小,晶格常数变小；薄膜的硬度先增加后减小，原因是复合膜结构发生转变。随着Al含量的增加，薄膜的抗氧化性能得到改善,薄膜表面形成Al2O3是高温抗氧化性能提高的主要原因。关键词：AlN/NbN纳米多层膜，AlN/ZrN纳米多层膜，异结构，I大摘要力学性能，(Zr，Al)N薄膜，射频磁控反应溅射，结构变化，抗氧化性IIAbstractResearchonthemicrostructureandpropertiesofAlN/NbNandAlN/ZrNnanomultilayer

6、sand(Zr,Al)NfilmsAbstractBecauseoftheirhighhardness,lowfrictioncoefficientsandextremeresistancetowear,transitionmetalnitride(MeN)coatingshavebeenextensivelyappliedincuttingtools,wearresistantcomponentsandotherindustrialfields.However,asthedevelopingofmodernmanufa

7、cturmorestringentrequirementsonthehardnessandhightemperatureoxidationresistantpropertiesofcuttingtoolcoatingshavebeenbroughtforward.andnano-multilayerswhichdepositedalternatelyatananometer-scalewithtwo(ormorethantwo)differenthardfilms.Morerecently,significantprog

8、ressintermsofoxidationresistanceandhardnesshavethenbeenachievedbyadditionofelements(B、Al、Sietc)toMeNandnano-multilayerswhichdepositedalternatelyatananometer-sc