MgAl2O4基超硬纳米多层膜的强韧化及热稳定性研究

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1、分类号：O484单位代码：10183研究生学号：2015432022密级：公开吉林大学硕士学位论文（学术学位）MgAl2O4基超硬纳米多层膜的强韧化及热稳定性研究Investigationonstrengthening-tougheningbehaviorandthermalstabilityinMgAl2O4-basednanomultilayers作者姓名：张译丹专业：材料物理与化学研究方向：超硬薄膜材料指导教师：文懋副教授培养单位：材料科学与工程学院2018年5月—————————————————————MgAl2O4基超硬纳米多层膜的强韧化及热稳定性

2、研究—————————————————————Investigationonstrengthening-tougheningbehaviorandthermalstabilityinMgAl2O4-basednanomultilayers————————————作者姓名：张译丹专业名称：材料物理与化学指导教师：文懋副教授学位类别：工学硕士答辩日期：2018年5月28日未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用

3、（但纯学术性使用不在此限。否则应承担侵权的法律责任。），吉林大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。類文作繼：“浙曰期：年（月ｒ曰中文摘要中文摘要如今，材料的按需设计以及精准控制服役性能是先进材料发展的必然趋势。组成材料的选择对于设计制备具有高强度高韧性的纳米

4、多层膜来说是至关重要的环节。一直以来，探索发现可制备具有优异力学性能的纳米多层膜的候选材料是研究纳米多层膜的主要任务之一。随着研究的深入，仅具有高硬度的纳米多层膜已无法满足众多需求，纳米多层膜在高温下结构与力学性能的关系也获得了研究者更多的关注。在过去几年，拥有高熔点、高硬度、低密度以及高机械强度等优异性能的MgAl2O4作为块体材料在硬质耐腐蚀陶瓷、催化剂、传感器等众多领域里发挥着重要的作用。MgAl2O4与γ-Al2O3结构相似，所不同的是MgAl2O4中有24个阳离子填充在氧空位中，而γ-Al2O3中只有1/3的氧空位被占据，MgAl2O4特有的饱和结

5、构能够使结构和性能在较高的温度和压力下保持稳定，因此具有良好的高温稳定性。目前，MgAl2O4在纳米多层膜领域的研究仍相对比较匮乏，其在纳米多层膜体系中的结构和性能还是未知，考虑到已有实验证明氧化物/氮化物纳米多层膜中出现了超硬效应，我们将MgAl2O4列入具有潜力的候选组成材料，期望制备出具有良好的高温稳定性的MgAl2O4基超硬纳米多层膜。本论文采用反应溅射方法在同等条件下制备了TiAlN/MgAl2O4纳米多层膜和VN/MgAl2O4纳米多层膜，研究了模板层TiAlN和VN对MgAl2O4层结构的影响以及MgAl2O4层厚度的变化对多层膜结构和力学性能

6、的影响，除此之外对两组多层膜进行了热处理，考察了多层膜的高温稳定性。得到的研究结果表明：1.溅射条件下MgAl2O4为非晶态，具有面心立方结构的TiAlN和VN模板层都可以使MgAl2O4层转变为赝晶结构，并与TiAlN层和VN层实现共格外延生长，在两层之间因此产生交变应力场，纳米多层膜的硬度也由此得到提升，其中，在MgAl2O4层厚度为0.7nm时，TiAlN/MgAl2O4纳米多层膜硬度最高可达到~46GPa，当MgAl2O4层厚度为0.6nm时，VN/MgAl2O4纳米多层膜的硬度可达到~36GPa，远远大于其单层膜的硬度值。随着MgAl2O4层厚度的

7、继续增加，赝晶结构又部分转变回非晶状态，破坏了其共格外延生长结构，硬度因此降低。I吉林大学硕士学位论文2.MgAl2O4与TiAlN和VN形成TiAlN/MgAl2O4、VN/MgAl2O4纳米多层膜后其断裂韧性也得到明显改善。在MgAl2O4与TiAlN、VN的单层膜的压痕中分别产生了明显的环形裂纹和径向裂纹，然而，在TiAlN/MgAl2O4和VN/MgAl2O4纳米多层膜的压痕中并未观察到明显的裂纹。3.MgAl2O4与不同材料组合形成的MgAl2O4基纳米多层膜的热稳定性有较大差异。MgAl2O4层对TiAlN/MgAl2O4纳米多层膜的热稳定性及抗

8、氧化性起到了积极的作用，TiAlN/MgAl2O4纳