宽固溶区氮化物硬质陶瓷薄膜的成分设计

Transition metal nitrides are generally hard and thermally and chemical stable.From the viewpoints of composition and structure, nearly all the transition metal nitrides of industrial importance have simple structures with large composition ranges which allows easy alloying with other metals for the prupose of adjusting thin film performances.However, upto now there has been no theoretical guidance in the composition desigh towards optimized properties. The present project attempts to introduce eight-valence-electron rule for chemical substances in the composition design of such alloyed nitride thin film materials, which is to be prepared by pulsed-bias arc depostion. Different elements are to be alloyed into binary nitrdes with large compostion ranges, and structure and property chracterization are carried out to verify the eight-electron rule and to obtain new and cost-effective multi-element ultrahard 'conventional' thin films with optimized performances.The relevant theory will also serve as the basis for developing next generation hard thin films.

许多过渡族金属氮化物具有高硬度、高稳定性及化学惰性，广泛应用于机械加工行业。从成分和结构上看，几乎所有具有工业应用价值的过渡族金属与氮原子形成的化合物都是简单结构，而且都具有较宽的固溶区，这种特性允许合金化固溶从而调控薄膜的性能，但目前还没有明确的成分设计基础理论来指导获得优化的合金化带来的性能提升。本项目提出基于八偶律的宽固溶区氮化物硬质陶瓷薄膜成分设计原则，并采用脉冲偏压电弧离子镀技术，按照元素周期律改变核外电子构型进行过渡族金属的二元氮化物和多元氮化物陶瓷薄膜的制备，通过成分与性能相关性的系统研究对八偶律原则加以印证，然后以此原则为基础，设计并开发出新型的具有低材料成本的多元超硬单层陶瓷薄膜，在提供一种"传统"而新型的高性价比的单层超硬薄膜材料的同时，为研究和开发下一代新型硬质薄膜材料奠定理论基础。

本项目以建立宽固溶区金属氮化物硬质陶瓷薄膜的成分设计理论和方法，以及开发出高性价比的四元单层超硬薄膜为目标，采用精密PVD涂层技术制备薄膜材料，首先从探索单相二元氮化物Me-N在原子尺度上的成分、结构与性能的内在关联入手，通过排除诸多如晶粒尺度、择优取向及内应力等介观尺度因素影响的基础上，发现并证实了其性能增强的内在根源在于原子尺度的电子能带结构因素的影响；在此基础上，又成功设计并制备出三元氮化物Ti-Zr-N、Ti-C-N和四元氮氧化物Zr-Al-O-N薄膜进行深入研究，并在四元单层Zr0.49Al0.08O0.13N0.31薄膜中得到了40.2GPa的超硬性能。此外，本项目还拓展研究了宽固溶区金属氮化物薄膜的电学性能，同时也发现其与原子尺度的电子能带结构因素密切相关的内在规律。本项目已完成目标任务，为开发下一代新型硬质薄膜材料奠定了理论基础。. 项目发表SCI收录论文8篇，待发表2篇；参加会议5团次；培养研究生5名，其中3名毕业，2名在读。项目投入经费800,000.00元，已支出769,118.48元，各项支出基本与预算相符；剩余经费30,881.52元，仍计划用于本项目研究后续支出。