超硬纳米多层膜中应力调控及其对择优取向、相结构和超硬效应影响的研究

超硬纳米多层膜因其调制层厚高的可控性以及组元材料组合的多样性，使其能够结合各调制层优异的性能、易于功能化，从而为超硬纳米多层膜开辟了更广阔的应用前景，并能够满足现代精密加工技术进步对超硬纳米多层膜的微观结构和性能都具有较高可控性的要求。本项目拟以TiN/ZrN，TiN/NbN，NbN/W2N和NbN/AlN四组不同类型的纳米多层膜为研究对象，以应力研究为主线：区分出多层膜中的各应力、获得各调制层中的应变状态、探索共格应变对各层本征应力的影响，以及共格应变的释放机制；从热力学角度并应用第一原理计算探究应力对各调制层中晶粒取向和相结构的影响规律，建立各层应力和应变状态、界面结构、取向、应变态下的弹性常数等与硬度的关系。最终制备出微观结构和力学性质高度可控的超硬纳米多层膜。

靠界面调控获得的纳米结构超硬多层膜已成为一类新型的超硬材料，其中界面和应力研究是探究该类薄膜生长行为和硬度增强机理的关键，国内外对这类问题研究很重视。我们分别针对单层膜和多层膜中的界面和应力问题深入研究了其生长行为和硬度增强机理。（1）单层膜：通过控制轰击离子能量调制了ZrN薄膜中的压应力，实现了对ZrN薄膜的择优取向和相结构的控制，在12GPa压应力条件下获得了具有Th3P4 结构的高硬度Zr3N4涂层，并采用晶体吉布斯自由能计算确定了应变能差驱动了ZrN薄膜的取向变化和相转变；采用原子力显微镜研究了ZrN薄膜中应力对其表面压头周围区域的变形行为，压应力使压头周围出现堆垛现象（pile-up），并随着压应力的增加而增强，堆垛现象会使压头与薄膜的真实接触区域偏离常采用的Oliver–Pharr方法，当用原子力显微镜校准真实接触区域后，压应力对纳米压痕硬度基本不产生影响；我们通过控制NbC、ZrC和HfC薄膜中的C含量和应力状态，发现其力学和摩擦学性能强烈依赖于碳化物纳米晶粒间非晶C的厚度，在薄膜中存在适量的非晶C含量能形成非晶包裹纳米晶复合膜，有利于获得高硬度，而高的非晶C含量会使硬度和残余应力下降而摩擦性能学性能变好。（2）多层膜：从热力学角度通过界面设计获得了立方NbN（111）/ 六方AlN（0002）异质结构纳米多层膜，实现了包含AlN调制层的多层膜在相对大的调制周期或AlN层厚范围内实现硬度增强；制备出立方NbN/立方W2N同质结构纳米多层膜，在小周期下尖锐的界面，共格应力和层间模量差导致出现了43 GPa的高硬度，并阐明了共格界面和共格应力在应力释放和W2N层相转变中的作用；在ZrN/SiNx多层膜中，靠控制SiNx层的密度来实现不同的界面电子极化程度，并利用XPS观察了其界面电子结构，确定了界面电子极化会对其硬度增强产生2-5 GPa的贡献；制备出NbN/CNx多层膜，在0.2 nm CNx厚度时，非晶CNx在立方NbN模板层作用下晶化，展现出高硬度和好的摩擦性能。上述结果发表在Surf. Coat. Technol.、Appl. Surf. Sci.、Acta Mater.等上。