耐高温超硬纳米多层涂层界面、韧性和热稳定性研究

界面问题是材料科学最重要也是最困难的问题，本项目通过调节纳米多层膜周期控制膜的微观结构和传热性能，利用高温淬火改变界面并研究界面结构，利用不同金属基底和弯折研究膜的延展性，并通过二者结合研究多层膜界面结构和运动，进而探讨纳米多层膜强化及耐高温手段。直接研究纳米复合膜界面结构和运动是十分困难的，我们希望通过理论模拟和实验两种方式对纳米多层膜界面结构和运动对硬度、韧性、热传导等性能的影响的研究，能够对纳米复合膜致硬机理给出更直接的分析结果，为新型先进涂层的设计制备提供理论依据。本项目目标是生长耐高温（900℃以上）、超硬（40GPa以上）、低热导率且延展性较好的氮化物纳米多层膜，适宜于在航空航天、数控机床等领域应用的耐高温、自润滑、耐磨损的超硬涂层。并将针对纳米结构、界面、致硬机理、热稳定性等基础科学问题进行系统的研究，找出微观结构与宏观性能的关联机制，为耐高温超硬薄膜的设计制备提供理论依据。

根据项目计划书，本研究组利用磁控溅射法制备Ti/TiN、CrN/Si3N4、TiN/Si3N4 和NbN/Si3N4纳米多层膜，用XRD表征纳米多层膜的微观结构，用XRR表征纳米多层膜的周期结构和界面情况，用原子力显微镜表征纳米多层膜的表面结构，用纳米硬度计表征纳米多层膜的力学性能，用高温退火的退火温度来控制多层膜界面扩散、融混和应力缓释。在理论上强调了模量差异致硬模型中界面区杨氏模量由于应力或融混造成的可变性，而不是简单地使用体材模量来分析模量差异致硬。高温退火可以有效降低或消除材料内应力致硬，进而凸显出其他致硬因素，为全面认识多层膜致硬机理创造条件。研究了沉积条件和高温退火对Ti/TiN、CrN/Si3N4、TiN/Si3N4 和NbN/Si3N4纳米多层膜的屈服应力和断裂韧性的影响,探讨了纳米多层膜微观结构与宏观性能的关联机制，TiN/Si3N4纳米多层膜和含Si3N4间层的Ti/TiN多层膜服役温度可达900℃以上。溅射压强的增大，Ti/TiN纳米多层膜的周期结构变差，界面宽度变小和粗糙度增加；相结构变化，多层膜的硬度较混合法则大约出现了30%的增强，我们认为是模量差异致硬的结果。衬底温度的升高，Ti/TiN周期性结构变好，界面宽度变化不大，多层膜的物相变化； 300℃以上衬底温度可以有效降低缺陷和本征应力。衬底偏压从漂浮电位变到－80V时，CrN/Si3N4周期性结构增强，到－140V以后其周期性结构又逐渐减弱，除飘浮电位外，界面宽度变化不大，硬度和模量变化的主要因素是不同衬底偏压下的涂层内应力和模量差异致硬。N2/Ar流量比较小时，TiN/Si3N4多层膜的周期性结构较好，随着N2/Ar气体流量比的增加，多层膜的周期性结构出现劣化，当在纯N2环境下溅射时多层膜的周期性结构消失，界面宽度随气体流量比的增加而增大，多层膜中TiN的择优取向由流量比较小时的（200）面向流量比较大时的（111）面转变，N2比例较低时涂层含未反应的Ti并以Ti（100）呈现，此时内应力和模量差异致硬共同发挥作用，流量比14.3-33%区间界面宽度变化不大，模量差异致硬效果保持一致，多层膜硬度变化由应力致硬决定；流量比50%时硬度最大，此时应力致硬没有增加，微观相的转变导致界面区杨氏模量增加，模量差异致硬是主要因素；之后硬度的变化是由内应力降低和界面宽度增加造成。退火实验显示δ-N