超硬金属氮化物纳米多层膜“模板效应”机理研究

The rapid development of manufacture and processing industry presents the multi-requirements for the tools and mould materials, such as extreme hardness, wear resistant, high thermal, tough and lifetime, etc. As for the most promising tool coatings, superhard-metal nitride-nano-multilayers are getting more and more concerns and applications because not only of the excellent mechanical properties which meet above needs but also of their designability. However, the extreme hardness is the fundamental property renders them applicable for extensive use. The research for the superhardness mechanism has clearly indicated that "Template Effect" plays a critical role. In the project, a research contained theory(First-principles and Finite Element Analysis) and experiment would be proposed for superhard-metal nitride-nano-multilayers to investigate the mechanism of "Template Effect" and failure mode. Furthermore, the main influencing factors should be deeply investigated, and some factors, such as lattice constants, elastic/shear modulus, and so on, should be qualitatively analyzed. Moreover, the database should be built for modifying the properties wherein the doping of suitable alloying elements could increase the "critical thickness". Finally, a analysis methodology, from atomistic scale to macro-finite element should be established to provide the theoretical support for the manufacture, evaluation and prediction for mechanical properties.

制造和加工业的迅猛发展以及日益苛刻的服役环境对刀具和模具材料提出了超硬、耐磨、耐热、寿命等复合要求，超硬金属氮化物纳米多层膜以满足上述要求的优良力学性能和可设计性使其作为最富前景的刀具涂层材料受到越来越多的关注与应用，超硬性能是其得到广泛应用的基础。对其致硬机理的研究清晰地表明"模板效应"起着至关重要的作用。本项目拟针对超硬金属氮化物纳米多层膜材料，采用理论(第一性原理、有限元分析)和实验相结合的方法研究纳米多层膜中"模板效应"的机理及失效形式，明确主要影响因素并定性分析各因素如晶格常数、弹性/剪切模量等影响系数，进而通过掺杂恰当的合金元素增加"临界厚度"，并建立性质改良的数据库，建立从纳观原子尺度到宏观有限元为基础的超硬纳米多层膜的特性分析方法，为其制备、力学性能的评价和预测提供理论支持。

制造和加工业的迅猛发展以及日益苛刻的服役条件对刀具和模具材料提出了超硬、耐磨、耐热以及长寿命等符合要求，超硬金属氮化物纳米多层膜以满足上述要求的优良力学性能和可设计性，使其作为最富前景的刀具涂层材料受到越来越多的关注与应用，而超硬性能是其得到广泛应用的基础。而在异构纳米多层膜中，致硬机理的研究清晰表明“模板效应”起着至关重要的作用。异构纳米多层膜的典型例子是TiN/AlN。AlN常温下的稳定结构为密排六方结构（hcp），但TiN/AlN纳米多层膜中当AlN的厚度<0.5-2 nm （临界厚度）时，AlN以面心立方（fcc）的结构存在，从而实现TiN与AlN层的共格外延生长。这种共格外延生长在纳米多层膜的不同相之间形成共格界面，可有效的减少缺陷，对纳米多层膜的机械性能产生重要的影响。为研究异构纳米多层膜“模板效应”中临界厚度的影响：1).针对同构纳米多层膜TiN/VN理想拉伸强度进行第一性原理计算，并对电荷密度及差分图、局域态密度图以及Mulliken charge分析，研究表明界面处的电荷转移是影响力学性能的主要因素；2).针对性地研究了TiN/AlN中AlN厚度对纳米多层膜性能的影响，研究表明不同AlN厚度的纳米多层膜破坏方式差异的主要因素是电荷转移及原子之间轨道杂化；3).对典型异构纳米多层膜TiN/AlN界面模板效应进行研究，利用在TiN(111)表面依次吸附Al与N原子的方式来模拟AlN的生长过程，研究TiN表面模板效应的作用范围和作用机理，研究表明吸附到第三层N原子层对模板效应临界厚度具有显著影响。研究结果为超硬金属氮化物纳米多层膜的制备、力学性能评估以及失效机理分析等提供了理论依据。