碳基纳米复合硬质薄膜的增韧特征表征研究

碳基硬质薄膜（DLC及N、Si等掺杂薄膜）的纳米复合增韧研究（组成或微结构的纳米多层化及梯度化、纳米晶多相复合或纳米晶/非晶复合等）是近年来薄膜领域研究热点之一。但一直受限于薄膜韧性的正确表征方法的欠缺，而缺乏对该类薄膜的韧性基本特征以及韧性与纳米复合微结构之间关系的系统、深入研究。本项目拟通过完善基于基体拉伸来实现薄膜韧性表征的方法，实现对呈现良好韧性的碳基纳米复合硬质薄膜的断裂韧性及其膜厚依赖性进行正确测量；进而对该类薄膜的本体增韧特征进行系统研究，分析其与纳米复合薄膜内在结构、薄膜硬度、残余应力等性能之间的联系，探讨其增韧机理；阐明金属表面该类薄膜材料的摩擦磨损特性与韧性的关系，对硬质薄膜的韧性化表面失效防护开展初步研究。通过本项目研究，将为新型"具有良好韧性的碳基硬质薄膜"的理论研究和工业应用提供参考。

在薄膜韧性实验表征方法方面，“基于基体变形的微拉伸薄膜断裂韧性实验表征方法”的研究取得了较好的结果，研制了实验测试平台，建立了标准样品的制备方法，并采用有限元模拟对该方法的测试稳定性和精度进行了分析和评价；制备出一种新型掩盖层材料制备和刻蚀工艺，拓展了该方法的应用范围，适用于大多数真空镀亚微米厚度薄膜的韧性量化表征；购置高分辨率微定位系统附件（M-230.25 High Resolution Micro Positioning System）对该测试系统进行优化，进一步提高该方法的测试精度，实现薄膜断裂韧性实验表征的自动化控制；对近年来经常采用的纳米压入薄膜韧性表征方法进行了深入研究，发现纳米压入过程中薄膜的断裂与加载曲线上的跳跃平台并不存在能量关系，进而指出采用纳米压入方法对薄膜韧性进行实验表征缺乏理论基础。在碳基纳米复合薄膜的制备和增韧机制研究方面，对氮参杂类金刚石薄膜（CN薄膜）的断裂韧性进行了实验表征，证实氮参杂有助于提高DLC薄膜韧性；研究了纳米多层结构DLC薄膜的结构和性能，指出其良好的摩擦学性能与其韧性增强有关；研究了nc-TiC/a-C:H纳米晶-非晶复合结构DLC薄膜的结构和性能，初步表明其韧性存在区别于其硬度的不同变化趋势和强化机制。