非晶合金/石墨烯纳米多层膜的变形行为及摩擦磨损机理研究

Due to the superior thermoplasticity and low surface roughness, amorphous alloy thin films are important candidates for high performance microelectromechanical system. However, the complex friction and wear damage during the process of fabrication and subsequent service often lead to material failure. In this project, Zr-based metallic glass films is selected to study the effect of graphene layer on mechanical and friction properties. Through magnetron sputtering and chemical vapor deposition, amorphous/grapheme nanoscale multilayers with different amorphous layer thickness are fabricated. Nanoindentation, micro pillar compression and nanoscratch are used to characterize the hardness/strength, stress-strain curve, coefficient of friction and wear performance of the multilayers. The effect of characteristic length scale, the density of the interface and the number of graphene layers on the deformation mode and wear mechanisms of nanoscale multilayers are systematically investigated, and the size-microstructure-properties relationship of the multilayer is provided. Aiming to understand the interface strengthen effect and self-lubricating effect from graphene layer, this project will provide valuable strategy to artificially design amorphous based composites to achieve reliable performance for specific applications.

非晶合金薄膜由于热塑性好、表面粗糙度低等优点已成为当前高性能微元器件和微机电系统材料的理想选择，其在复杂的微加工制备和随后服役过程中的摩擦磨损损伤是导致系统失效的关键因素。本项目拟以Zr基金属玻璃薄膜为研究对象，通过插入石墨烯层形成多层膜结构来改善其力学和摩擦性能。利用磁控溅射和化学气相沉积制备不同非晶层厚度的非晶/石墨烯多层膜，采用纳米压痕、微柱压缩和纳米划痕实验测定表征多层膜硬度/强度、应力应变曲线、摩擦系数及磨损量等性能指标，系统研究不同特征尺寸、界面密度和石墨烯层数下纳米多层膜的变形方式及摩擦磨损机理，建立多层膜尺寸-结构-服役性能间的关系。本项目的实施对认识石墨烯在多层膜力学强化中的界面约束效应及摩擦磨损中的自润滑效应具有重要意义，可为非晶薄膜复合材料的可靠性设计提供重要的理论依据。

作为高性能微元器件和微机电系统材料的理想选择，非晶合金薄膜在服役过程中的接触摩擦磨损损伤是导致系统失效的关键因素，如何实现非晶合金薄膜的减摩抗磨是当前研究所面临的挑战。以热塑性形成能力优异的Zr基非晶合金为研究对象，本项目通过插入石墨烯片层构筑多层结构，实现了材料力学和摩擦学性能的协同提升。通过磁控溅射和化学气相沉积制备非晶/石墨烯多层膜，从宏观和微观角度表征多层膜材料的力学和减摩抗磨性能，逐步分析了微观结构调控、多层异质化和石墨烯界面对薄膜变形行为和摩擦学行为的影响，并结合分子动力学模拟从原子尺度揭示了非晶多层膜的强韧化和摩擦学机理。主要研究结果如下：.（1）构筑非晶多层膜提高材料的力学性能和耐磨性并降低摩擦系数。非晶/非晶界面的引入促使单层非晶薄膜的无序状态转变为非晶多层膜结构的自组织临界状态。界面对剪切变形有明显的阻碍作用，促使变形模式由局域化的剪切变形向均匀的塑性流变转变，实现了多层膜中独特的划痕硬化效应和随之而来的高耐磨性。此外，高密度的异质界面有利于大的弹性恢复和较小的犁沟摩擦，使得多层膜的摩擦系数相比于单层非晶合金薄膜更低。.（2）揭示了非晶/石墨烯纳米多层膜的划痕行为和摩擦磨损机理，建立了其层厚与力学和摩擦学性能间的相互关系。通过原子水平变形过程分析发现石墨烯可以显著阻碍剪切带传播和促使变形模式转变，石墨烯片层的强化和润滑作用能够有效降低摩擦系数和磨损率，同时石墨烯带来的高弹性回复使得该材料具有一定的自修复能力，最终实现材料力学性能和摩擦学性能的协同提升。.（3）将非晶异质化的思路进一步应用于更大尺度的枝晶-非晶复合材料。通过调控原位枝晶的成分，从第二相微结构的角度改善非晶合金的摩擦学性能。相较于Ti47Zr25Nb6Cu5Be17和Ti46Zr25Nb6Cu5Be17Sn1，Ti45Zr25Nb6Cu5Be17Sn2在摩擦过程中能够克服两相塑性失配，磨损机制由Ti47Zr25Nb6Cu5Be17和Ti46Zr25Nb6Cu5Be17Sn1的枝晶相的优先磨损和分层剥落转换为Ti45Zr25Nb6Cu5Be17Sn2的均匀氧化磨损，使得Ti45Zr25Nb6Cu5Be17Sn2成分耐磨性提高一倍以上。