基于综合自适应性的概念设计极端服役条件下的纳米结构多层膜

本研究基于综合自适应性的概念设计极端服役条件下的薄膜材料，通过优化元素及控制工艺参数以制备具有高硬度、高温稳定性及优良高温摩擦磨损性能的多元纳米结构多层膜。重点研究：（1）多层膜成分及结构、界面结构、氧化物的特性等对多元多层膜的硬度、红硬性、高温抗氧化性及高温摩擦磨损性能的影响；（2）探索在极端摩擦环境下与扩散能力和化学反应有关的物理化学过程，分析在摩擦过程中形成Magnéli相的物理化学过程以及过程中系统熵的变化；（3）从薄膜的纳米晶结构、红硬性、塑性、高温稳定性和摩擦自适应性等整体相互协同作用出发，探索多元纳米结构多层膜具有综合的适应性特征的机理。本项目旨在优化极端服役条件下的硬质材料的综合性能，揭示高温环境下纳米结构多层薄膜的摩擦磨损的机制，建立新型多功能自适应纳米结构多层薄膜的设计准则。

本研究基于综合自适应性的概念，材料体系设计及制备方面，在综合考虑了硬度、高温稳定性及高温摩擦磨损性能、摩擦自适应性等综合性能的基础上，选择了TiN，ZrN, MoN, CrN, WN, NbN和TaN等陶瓷基体，通过添加C, Si, Al, V和Mo等元素，研究了合金元素的加入对TiCN，TiVCN，TiMoN，ZrCN，ZrVCN，WCN，TaVN, CrSiVN等多元复合膜微结构、硬度及室温和高温下摩擦磨损性能的影响。在此基础上，制备TiN/VCN, ZrCN/VN, NbSiN/VN, TaN/VN, ZrAlN/MoN等纳米结构多层膜，并对多组元纳米结构薄膜微结构、力学性能及室温、高温摩擦磨损进行全面的分析研究。在材料体系抗氧化性能研究方面，通过高温热处理，研究了高温退火后薄膜氧化程度和氧化物的结构；分析了组元、多层膜结构及界面结构等对多层膜抗高温氧化性能的影响及对红硬性的影响，揭示了多元纳米结构薄膜高温稳定性能得到改善的本质原因。在材料体系高温摩擦磨损性能方面，对纳米结构薄膜进行室温及高温摩擦磨损测试，研究了高温摩擦时Magnéli相的形成及它的摩擦磨损特点；研究了纳米结构薄膜微结构和组元成分等对Magnéli相的形成和分布的影响；研究了Magnéli相形成时的物理化学反应特点及过程，探索了高温条件下多元纳米结构薄膜的摩擦系数和磨损率演变的本质原因。从晶体化学的角度出发，建立了晶体化学和高温下作为润滑剂的氧化物之间的关系；从涂层的摩擦自适应性、纳米晶结构和高温稳定性等整体相互协同作用出发，探讨了多元纳米结构薄膜具有高温综合的自适应行为特征的机理，建立了新型多功能自适应纳米结构薄膜的设计准则。