AlCrN陶瓷薄膜韧性机制的原位原子尺度研究

Toughness improvement of ceramic thin films has become one of the most important issues in ceramic materials. The key factor, related to toughness improvement, strongly depends on the intrinsic relationship between microstructures and toughness of ceramic thin films. In this proposal, the dynamic atomic mechanism of toughness will be illustrated in AlCrN ceramic thin films based on in-situ mechanical characterization. Four aspects are included as follows. (1) Nucleation, movement, and propagation of dislocation defects in AlCrN ceramic thin films will be examined. (2) Atomic mechanism of crack nucleation and propagation, induced by the interaction between dislocation movements and grain boundaries, will be characterized. (3) Propagation mechanism of crack and the interaction between crack and grain boundaries will be present. (4) Microstructure evolution in front of a crack tip will be captured. Based on these investigations, a picture of the toughness mechanism in ceramic thin films will be present. This proposal can not only unveil the toughness mechanism in ceramic thin films with high hardness and toughness, but also provide reliable experimental data for designing new ceramic thin films.

如何提高陶瓷薄膜材料韧性是国际陶瓷材料领域关注的重要课题之一。建立陶瓷薄膜材料的显微结构与强韧性之间的关系是发展新型韧性陶瓷薄膜材料的关键。本项目以AlCrN韧性陶瓷薄膜为研究对象，以原位力学性能测试为平台，阐明陶瓷薄膜材料与韧性力学性能相关的动态原子机制。包括：(1)荷载条件下，韧性陶瓷薄膜材料晶粒内部的位错的形核、运动、增殖。(2)位错运动与晶格、晶界相互作用致裂纹形核与扩展的原子尺度的动态机制。(3)裂纹与晶格以及晶界的相互作用过程以及扩展机制。(4)裂纹尖端前部微结构演变行为，从而给出AlCrN陶瓷薄膜材料微观韧性机制的物理图像。本项目的执行可以揭示AlCrN高硬度陶瓷薄膜材料的微观韧性机制，为设计和制备高强度、高韧性的新型陶瓷薄膜提供实验依据。

研究背景.陶瓷材料一直是国际社会材料领域研究的焦点。但脆性问题在陶瓷薄膜材料当中表尤为突出。制备高硬高强度陶瓷薄膜材料的同时，陶瓷薄膜材料的脆性也显著增加。较高的脆性导致陶瓷薄膜材料在受到应力扰动时断裂，导致材料功能失效，严重阻碍陶瓷薄膜材料的实际应用。研究高硬度陶瓷薄膜材料的韧性以及微观韧性机制与显微结构的本征关系成为解决上述困境的关键。..研究内容.以AlCrN韧性陶瓷薄膜材料为研究对象，采用独创的原位高分辨透射电镜原位拉伸与加热技术，在拉伸与加热的条件下动态实时监控原子尺度的微结构晶粒内部点、线、面缺陷的形核、运动与增殖。点、线、面缺陷在运动的过程中，与晶格、晶界的相互作用致使裂纹形核与扩展的微观原子机制。裂纹与晶粒、晶界的相互作用。进而揭示具有高硬度的AlCrN陶瓷薄膜材料中韧性的微观机理。..重要结果.研究了原子尺度的微观结构随热场的变化关系。发现当温度低于1000度时，材料的微观结构几乎不发生变化，原位透射电子显微学实验证实该纳米陶瓷材料具有极高的热稳定性。但温度高于1100度时，该陶瓷材料的微观颗粒尺寸从5纳米增加到50纳米。针对于实际应用中的温度800度，该陶瓷材料足以满足实际需要。该结果发表在SCI学术期刊Surface Engineering上。.采用自主研发的原位双倾纳米压痕实验技术，研究了外力作用下的原子尺度的微结构变化，发现随着压头压入材料，原子尺度的微观结构当中产生大量位错，并且位错会堆积到晶粒边界上，累计的位错导致裂纹在晶界萌生，进而增殖。同时位错也在纳米晶粒内部也可以观测到。该结果从原子尺度角度阐述了裂纹产生、增殖、进而导致材料断裂的微观机制。该结果发表在SCI学术期刊AIP Advances和Surface Engineering上。..关键数据及科学意义.采用自主研发的原位双倾纳米压痕实验技术，原位原子尺度研究陶瓷材料韧性微观原子机制，发现从原子尺度角度出发，观测到陶瓷材料韧性裂纹萌生、增殖、扩展的微观机制，提供直接的原位实验数据来阻碍裂纹扩展和增殖，指导新材料设计与研发。