纳米多层膜和复合超硬涂层的研究进展

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1、维普资讯http://www.cqvip.com2004年5月吉林师范大学学报(自然科学版)No．2第2期JournalofJilinNormalUniversity(NaturalScienceEdition)May．2004纳米多层膜和复合超硬涂层的研究进展郑伟涛，白晓明，安涛(吉林大学材料科学系，吉林长春130012)摘要：本文综述了近年来纳米多层膜和复合超硬涂层研究的最新进展，详述了纳米多层膜和复合超硬涂层的致硬机理和设计方法，分析了Ti／TiN、氮化物／氮化物多层膜和Ti—si—N及rri一一sj—N系

2、复合膜的最新研究现状，指出了今后纳米多层膜和复合超硬涂层的研究方向．关键词：纳米；多层膜；复合膜；超硬中图分类号：TB383，0484文献标识码：A文章编号：1000—1840一(2004)02—0001—071引言纳米结构涂层由于其独特的物理、化学特性引起了人们越来越广泛的关注，与材料表面相关联的性质如机械加工中的硬度、耐高温、耐磨、耐蚀、耐氧化【]等，现代光学中的软x光多层膜反射镜【2J、中子反射镜[3]的粗糙度、反射率、层周期、热稳定性等，现代光磁存储和微电子领域J的强度、扩散势垒等等都正在成为人们研究的热

3、点．纳米结构涂层的设计和制备一般要考虑许多因素，如界面体积比、晶粒尺度、单层和周期厚度、表面和界面能、织构、应力和应变等，而这些因素又与沉积方法、材料种类、沉积过程等参数密切相关．探讨这些因素之间的内在联系，分析这些崭新结构涂层的优异性能的物理原因及机制，进而提出新型薄膜的设计方法是当前乃至今后人们努力的方向．本文综述的纳米多层膜和复合硬质涂层主要用于机械加工工具的涂层，对于新型硬质涂层来说，它的抗磨损性能必须有所改善以延长其使用寿命，而硬度的增加有望满足这一要求．金刚石是当前自然界已知硬度最高的材料，但由于在高

4、温时金刚石的不稳定性和碳对铁等材料的混融，限制了金刚石类硬质碳膜在高速高温工具中的应用．自Koehler【5J提出异质外延超晶格结构提高材料强度的概念以后，新型纳米多层硬质涂层得到了飞速发展，基于反应气体周期调制(Ti／TiN)，靶材周期调制(CrN／2',lbN)，甚至相关于沉积过程参数的周期调制(如偏压调制的TiN／1riN)等多层涂层都有大量研究报道，人们提出了很多模型解释膜的致硬机理．Veprek[]发展了Koehler的思想，提出了纳米复合硬质涂层的理论和设计概念，由于这一方法克服了多层膜的周期结构误差

5、及工艺的复杂性，近年来得到了更广泛的重视．2致硬机理硬度是材料各种物理化学性能的综合量度，一般地讲，硬度强相关于塑性形变，后者又和位错的产生和运动有关．对纯共价晶体[，要塑性地剪切它，电子对共价键需首先被打开，然后再重建．由固体物理可知，一对电子断键意味着两个电子从价带激发到导带，所以产生塑性滑移的激发能应是带隙宽度的两倍：H(GPa)=ANg(1)其中H是硬度，是单位面积的共价键数，为带隙宽度，A为比例系数．对极性共价晶体，极性共价键可视为共价键加上部分离子键，因此还要考虑部分离子键贡献，进而对收稿日期：200

6、4—02一l8基金项目：国家自然科学基金资助项目(50372024)第一作者简介：郑伟涛(1963一)，男，吉林省九台市人，吉林大学材料科学系教授，博士生导师兼任中国晶体学会理事，中国材料研究学会青委会理事等职．研究方向：材料物理与化学、薄膜材料一1一维普资讯http://www.cqvip.com上述公式要加以修正，但理论和实验都证实，共价键对硬度的贡献是主要的．对薄膜来说，把薄膜和基体作为一个系统来考虑是合理的．当膜较薄时，系统硬度主要由基体决定，当膜较厚时则由膜决定，中间情况由基体和膜共同决定．过去几年中，

7、基于标准的压痕实验，发展了很多单层和多层膜绝对硬度的测定模型，有些模型的预测结果和实验吻合较好，多数情况下，在压痕对角线较小时不同的模型能给出大致相同的硬度值．近来又有人考虑了压痕尺度效应进而对模型进行了修正，得到了较好的结果L8j．对硬度进行严格正确的测量，要求压针作用下材料的屈服应变形状应该与原压针形状相同，同时要精确确定施加在针尖上的载荷．薄膜的硬度测量，不仅依赖于材料的性质、微结构、表面特点，而且还要考虑其他影响硬度和载荷关系的效应，这些效应统称为压针尺度效应．压针尺度效应起源很多，如不同性质的薄膜表面层

8、由于氧和碳的沾染可导致位错的固化，从而明显提高硬度；还有表面粗糙度；样品切割和表面抛光致硬；变形键的有限分离；低载下检测体积的降低导致的局域完善性；压针钝化导致的小压痕深度效应(小于300纳米)等等．在实验上给出完善的硬度还需要人们做出更多的努力．下面我们将分析与薄膜材料自身硬度相关的一些因素．目前的镀膜技术多数属于非平衡沉积过程，薄膜中存在大量的缺陷．硬度的测量过程包括