硬质陶瓷纳米多层膜的研究进展

合集下载

纳米陶瓷材料的研究现状及应用

纳米陶瓷材料的研究现状及应用
1.功能涂层：纳米陶瓷材料的高硬度和高抗磨性使其成为制备高质量
涂层的理想材料。

纳米陶瓷涂层可以应用于飞机、汽车、船舶等工程机械
设备的表面，提高其抗腐蚀性、耐磨性和耐高温性。

2.生物医学材料：纳米陶瓷材料具有优异的生物相容性和生物稳定性，因此广泛应用于医学领域。

例如，纳米陶瓷颗粒可以用于制备人工骨髓和
骨折修复材料，其高强度和生物活性有助于骨骼再生。

此外，纳米陶瓷材
料还可以用于制备人工关节和牙科修复材料等。

3.电子器件：纳米陶瓷材料的高介电常数和热稳定性使其成为制备高
性能电子器件的理想材料。

例如，纳米陶瓷材料可以用于制备高密度的电
子器件，提高电子器件的工作效率和可靠性。

4.环境保护：纳米陶瓷材料可以用于制备高效的催化剂和吸附剂，用
于处理工业废水和废气等污染物。

纳米陶瓷材料的高比表面积和活性位点
可以提高催化剂和吸附剂的活性和选择性。

总之，纳米陶瓷材料的研究和应用已经取得了很大的进展。

随着纳米
技术的不断发展，相信纳米陶瓷材料在各个领域的应用前景会更加广阔。

同时，纳米陶瓷材料的制备和性能的研究也是一个具有挑战性和发展潜力
的领域。

zrn基纳米多层膜的制备及其性能研究

摘要薄膜技术已广泛应用于加工制造、半导体、表面防护、光学器件、装饰等行业。

在制造行业，薄膜技术的应用能大幅提高切削刀具的综合性能，使切削工具的使用寿命延长2~3倍，提高生产效率。

相比TiN薄膜，ZrN薄膜硬度更高，更耐磨。

ZrN等陶瓷薄膜由于较低的韧性，不能在动载荷下长时间服役。

纳米多层膜具有周期性多层结构，大量的界面可以阻碍位错的运动和裂纹的扩展，从而具有良好的力学性能。

为实现薄膜材料的强韧化，采用非平衡反应磁控溅射法制备了不同调制周期的ZrN基纳米多层膜。

采用场发射扫描电镜、X射线衍射仪表征薄膜的形貌、结构。

采用台阶仪测量薄膜表面粗糙度和厚度。

采用纳米压痕仪检测薄膜的硬度和弹性模量。

采用划痕仪测量薄膜/基材的结合力，同时，引入抗裂纹扩展系数（CPR）定性表征纳米多层膜的韧性。

薄膜摩擦性能采用销盘磨损仪测试。

ZrN/CrAlN纳米多层膜试验结果表明，断面皆为柱状结构，调制周期为20 nm 时，多层膜层与层之间的界面清晰；多层膜表面呈致密的花椰菜状，厚度均约为2 μm。

调制周期为8 nm时，硬度为20.4 GPa，进一步增大调制周期硬度下降。

调制周期为8 nm的多层膜临界载荷L c2为18 N，CPR值为73.2，L c2与CPR值均高于其他调制周期的多层膜。

在临界载荷L c2处，裂纹扩展导致薄膜发生了严重的片状剥落，露出了亮白的热轧钢基底，薄膜失去了保护作用。

在多层膜厚度、调制比不变的条件下，改变调制周期能够改变多层膜的韧性。

随着调制周期的增大，韧性性能呈先上升后下降趋势。

调制周期为8 nm时纳米多层膜的硬度最高，韧性最好，综合性能良好。

ZrN/VN纳米多层膜试验结果表明：多层膜断面为致密的柱状结构。

在调制周期为10.4 nm时多层膜硬度达到最高值45.4 GPa，同时具有最高的抗塑性变形系数H3/E*2（0.38 GPa）。

室温摩擦实验表明，随调制周期增大，对应的多层膜磨损率下降，当调制周期为12.2 nm时，薄膜磨损率最小为6.22 × 10-7 mm3/Nm。

硬质及超硬涂层的研究现状及发展趋势

硬质及超硬涂层的研究现状及发展趋势综述姓名：马中红学号：139024220摘要：随着现代科学技术的不断进步，普通硬质涂层和超硬涂层有了显著的发展，部分涂层已经在某些领域实现了应用。

主要介绍了氮化物、碳化物、氧化物、硼化物等普通硬质涂层和金刚石、类金刚石（DLC）、c BN、纳米多层结构涂层及纳米复合涂层等超硬涂层的性能、应用、制备技术及其发展趋势，并对部分常见涂层面临的性能改进及其今后可能的发展方向进行了探讨。

关键词：硬质涂层；超硬涂层；应用前景；研究进展Abstract：As the advancements of modern science and technology，the conventional hard and superhard coatings have achieved remarkable development．Indeed，partial coatings even have been used in some filed．The performance，applications，preparation technique and development tendency of the conventional hard coatings of nitrides，carbides，oxidates and borides have been introduced mainly，as well as superhard coatings of diamond，DLC，c BN，nano multilayer and composite coatings．Moreover，the existing problems regarding to performanceimprovement and feasible development trend henceforth of the partial common coatings was pointed out．Key words：hard coating；superhard coating；application prospect；research progress1 引言硬质涂层是进行材料表面强化、发挥材料潜力提高生产效率的有效途径，它是表面涂层的一种，是指通过物理或化学的方法在基底的表面沉积的厚度在微米量级，显微硬度大于某一特定值（HV=20GPa）的表面涂层。

纳米陶瓷材料的研究现状及应用

纳米陶瓷材料的研究现状及应用
首先，纳米陶瓷材料的制备方法不断丰富和完善。

传统的陶瓷制备方
法无法获得纳米级尺寸的陶瓷颗粒，而通过纳米技术的手段，例如溶胶凝
胶法、水热法和微乳液法等，可以制备出具有纳米级尺寸和高比表面积的
陶瓷颗粒。

其次，纳米陶瓷材料的性能得到显著提升。

由于纳米材料具有高比表
面积、尺寸效应和量子效应等特点，纳米陶瓷材料在力学强度、热稳定性、电学性能和光学性能等方面表现出优异的性能。

例如，纳米氧化锆陶瓷具
有高硬度、高抗磨损性和高耐久性，可以应用于高性能切削工具和汽车发
动机零件等领域。

此外，纳米陶瓷材料还可以通过添加适量的催化剂和稀土元素等进行
改性，使其具备更多的功能性和应用潜力。

例如，通过添加银、铜等催化剂，可以显著提高纳米氧化锌陶瓷的光催化活性，使其具备处理水污染和
空气净化的能力。

纳米陶瓷材料的应用范围非常广泛。

在能源领域，纳米陶瓷材料可以
用于制备高性能的锂离子电池和固体氧化物燃料电池的电极材料，提高电
池的能量密度和循环寿命。

在医疗领域，纳米陶瓷材料可以用于制备人工
骨骼、人工关节和人工血管等生物医用材料，具备优异的生物相容性和机
械性能。

此外，纳米陶瓷材料还可以用于电子元器件、光学器件和薄膜材
料等领域。

总之，纳米陶瓷材料的研究已经取得了很多重要进展，在各个领域有
着广泛的应用前景。

随着纳米技术和先进制备方法的不断发展，相信纳米
陶瓷材料在材料科学和工程中将发挥更加重要的作用。

纳米功能陶瓷研究现状及未来发展趋势

纳米功能陶瓷研究现状及未来发展趋势目前，纳米功能陶瓷研究已经取得了一系列突破。

首先，纳米陶瓷具有优异的力学性能和化学稳定性。

由于纳米颗粒之间较大的比表面积和边界强化效应，纳米功能陶瓷的强度、硬度和断裂韧性得到了显著提升。

其次，纳米功能陶瓷还具有优异的光学、电学和磁学性能。

通过调节纳米颗粒的尺寸和形貌，可以实现对光学、电学和磁学性能的调控，从而开发出具有光电子器件、传感器和储能器件等特殊功能的纳米陶瓷材料。

此外，纳米功能陶瓷还具有优异的催化性能和生物相容性，可应用于催化剂、生物传感器和组织工程等领域。

未来，纳米功能陶瓷研究将呈现以下几个发展趋势。

首先，制备技术将更加精细和高效。

随着纳米粉体制备技术的不断进步，如溶胶-凝胶法、气相沉积法和熔盐法等，将能够实现更为精确和可控的纳米颗粒制备，并且将大大提高陶瓷材料的一致性和可靠性。

其次，纳米功能陶瓷的组装和制备技术将更加多样化和多功能化。

通过纳米颗粒的组装和排列，能够制备出具有特殊功能和性能的陶瓷材料，如光子晶体、多孔材料和复合材料等。

再次，纳米功能陶瓷的应用范围将更加广泛。

纳米功能陶瓷在石油化工、电子信息、环境治理、生物医药等领域具有广阔的应用前景，例如，用于高温气体分离膜、高效太阳能电池和生物医疗材料等。

此外，纳米功能陶瓷的可持续发展和环境友好性也将成为未来研究的重点。

研究人员将致力于开发更为环保和可持续的纳米粉体制备技术，同时通过绿色加工和循环利用降低纳米陶瓷的生产成本和对环境的影响。

总之，纳米功能陶瓷研究在材料科学领域具有重要的意义和广阔的应用前景。

随着纳米技术的不断发展和应用，在陶瓷材料领域将会涌现出更多具有特殊功能和性能的纳米陶瓷材料，从而推动纳米功能陶瓷的进一步发展。

含过渡金属氮化物的纳米多层薄膜增韧的研究进展

常用的延性相可以是单一的金属元素，也可以是复合物。Cu、Ag、Ni 等金属具有良好的延展性，是增韧的首选材料，相应的组元有 ZrTiN/Cu[26]、 ZrN/Cu[27]、TiN/Cu[28]、CrN/Cu[29]、TiN/Ag[30]、CrN/Ag[31]、 ZrN/Ag[32]、Mo2N/Ag[33]、ZrN/Ni[34] 等，在这样的组合中，主体层中加入延性相制成纳米多层薄膜，延性相与主体层产生共格或非共格界面，在一定条件下使得纳米多层薄膜的韧性得以增大。
(1. School of Materials Science and Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China; 2. Shanghai Tool Factory Co., Ltd., Shanghai 200093, China)
第3期
周超，等：含过渡金属氮化物的纳米多层薄膜增韧的研究进展
49
Keywords: nano-multilayer films; transition metal nitrides; toughening; super-hard
纳米多层薄膜是由两种或两种以上具有不同成分或结构的材料在薄膜生长方向上以纳米量级相互交替沉积而形成的多层结构薄膜[1-4]，被作为结构材料或功能材料在机械加工、航空航天、能源等领域具有良好的发展前景。在由两层交替沉积形成的纳米多层薄膜中，其中一层的厚度通常要超过另一层，前者称为“主体层”，也称“模板层”，后者称为“调制层”。每相邻的主体层和调制层厚度之和称为调制周期，通常用Λ表示[5]。纳米多层薄膜的结构和性能主要取决于主体层，但调制层也能通过自身的结构改变对纳米多层薄膜产生较大的影响[6]。近年来纳米多层薄膜的制备方法主要集中在物理气相沉积（physical vapor deposition, PVD）技术和化学气相沉积（chemical vapor deposition, CVD）技术上[7]，其研究进展主要表现在主体层和调制层组合的开发和调制周期的改变等方面。

硬质多层膜研究进展

第14卷　第1期2007年2月金属功能材料Metallic Functional Materials Vol 114,　No 11February ,　2007硬质多层膜研究进展刘宏玉(武汉科技大学理学院,武汉　430081)摘　要:总结了硬质多层膜改善力学性能、摩擦性能、高温氧化性能、腐蚀性能的方法及进展,指出了有效途径。

关键词:硬质膜;多层;力学性能;摩擦性能;抗高温氧化性;抗腐蚀性中图分类号:TB33 文献标识码:A 文章编号:1005-8192(2007)01-0037-04R esearch Progress in H ard Multilayer CoatingsL IU Hong 2yu(School of Science ,Wuhan University of Science and Technology ,Wuhan 430081,China )ABSTRACT :Improvement and progress in mechanical ,tribological properties ,high 2temperature oxidation and corro 2sion resistance of hard multilayer coatings were summarized 1Efficient methods were put forward 1KE Y WOR DS :hard film ;multilayer ;mechanical property ;tribological property ;high 2temperature oxidation resist 2ance ;corrosion resistance作者简介:刘宏玉(1966-),男,山东临沭人,博士,武汉科技大学理学院副教授。

1　引　言以TiN 为代表的硬质单层膜,由于明显改善材料表面的力学性能和摩擦性能,而广泛应用在机械、冶金、电子等领域。

纳米多层膜的硬度研究进展

ＬＵｎ —ｙＷＵｉｍｉｇＩＨｏｇｕ，Ｋａ — ｎ
（ｃｏｌｆｃｅｃ，ｈｎＵｉｅｓｙｏＳｉｃｎｅｈｏｇ，Ｗｕａ４０８，ＣｉａＳｈｏｏＳｉｎｅＷｕａｎｖｒｉｆｃｅｅａｄＴｃｎｌｙｔｎｏｈｎ３０１ｈｎ）
（汉科技大学理学院，湖北武
武汉４０８）３０１
摘要：由两种不同材料交替生长而成的纳米多层膜，其硬度出现增强现象，调制周期一定范围在内出现极大值。这一现象有理论研究意义和实际应用价值。综合评述了硬度增强理论和应用的研
生长而成的纳米多层膜（称超晶格薄膜１，又２由于１）
（邻两层厚度之和）单层厚度比（一单层厚相及某
度与调制周期之比）到一定数值时，达硬度会超出
按照单层组元混合法则算出的硬度数值．有些会出现大于４Ｇａ的超硬现象。在硬度随调制周期０ＰＡ或单层厚度比）（的变化曲线中。往会出现硬度往极大值。型的例子如Ｈｌｅｓｎ采用反应磁控典ｅｍｒｓＩｏ溅射制备的单晶ＴＮＶｉ／Ｎ超晶格．显微硬度Ｈ从调制周期Ａ０的２３ ± ８Ｋ＝０５２０ｍｍ增至Ａ５２ｍ＝．ｎ的最大值５６ ± ００ｇｍ；后在Ａ７５ｍ时，５０１０Ｋ／然ｍ＝．ｎ快速降至３５＋５Ｋ／ｍ：一步增加．缓慢９０５０ｇＡ进＿ｍＨ降低；Ａ３ｎ时，降至３４ ± ５Ｋ，ｍ（在＝２ｍＨ６０５０ｇｍ纯单晶ＴＮ和ＶｉＮ膜的硬度分别为２０＋０、６０２０３０１２＿＋

DLC_基纳米多层膜摩擦学性能的研究进展与展望

表面技术第53卷第8期DLC基纳米多层膜摩擦学性能的研究进展与展望汤鑫1，王静静1*，李伟1，胡月1，鲁志斌2，张广安2（1.上海理工大学材料与化学学院，上海 200093；2.中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室，兰州 730000）摘要：类金刚石（DLC）薄膜是一种良好的固体润滑剂，能够有效延长机械零件、工具的使用寿命。

DLC 基纳米多层薄膜的设计是耐磨薄膜领域的一项研究热点，薄膜中不同组分层具备不同的物理化学性能组合，能从多个角度（如高温、硬度、润滑）进行设计来提升薄膜力学性能、摩擦学性能以及耐腐蚀性能等。

综述了DLC多层薄膜的设计目的与研究进展，以金属/DLC基纳米多层膜、金属氮化物/DLC基纳米多层膜、金属硫化物/DLC基纳米多层膜以及其他DLC基纳米多层膜为主，对早期研究成果及现在的研究方向进行了概述。

介绍了以上几种DLC基纳米多层膜的现有设计思路（形成纳米晶/非晶复合结构、软/硬交替沉积，诱导转移膜形成，实现非公度接触）。

随后对摩擦机理进行了分析总结：1）层与层间形成特殊过渡层，提高了结合力；2）软/硬的多层交替设计，可以抵抗应力松弛和裂纹偏转；3）高接触应力和催化作用下诱导DLC中的sp3向sp2转化，形成高度有序的转移膜，从而实现非公度接触。

最后对DLC基纳米多层膜的未来发展进行了展望。

关键词：DLC基纳米多层膜；力学性能；摩擦学性能；摩擦机理；结构中图分类号：TH117.1；TH142.2文献标志码：A 文章编号：1001-3660(2024)08-0052-11DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2024.08.005Research Progress and Prospects on Tribological Propertiesof DLC Based Nano-multilayer FilmsTANG Xin1, WANG Jingjing1*, LI Wei1, HU Yue1, LU Zhibin2, ZHANG Guang'an2(1. School of Materials and Chemistry, Shanghai University of Technology, Shanghai 200093, China; 2. State Key Laboratory ofSolid Lubrication, Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China)ABSTRACT: Friction and wear can cause surface damage of materials, especially metal materials, and shorten the service life of work pieces. DLC (diamond-like carbon) is an amorphous carbon film composed of mixed structures, usually formed by the mixture of sp2 carbon and sp3 carbon. With high hardness, low friction coefficient, good chemical inertness and biocompatibility, DLC is a kind of film with great potential, which has a wide range of applications in mechanical, electrical, biomedical engineering and other fields. Its super-hard, wear-resistant and self-lubricating properties meet the technical requirements of the modern manufacturing industry. It is widely used as solid lubricant for the surfaces of contact parts that rub against each other.收稿日期：2023-05-08；修订日期：2023-10-12Received：2023-05-08；Revised：2023-10-12基金项目：中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室开放课题（LSL-2205）；上海高校青年教师培养资助计划Fund：Open Project of State Key Laboratory of Solid Lubrication, Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences (LSL-2205); Shanghai University Youth Teacher Training Assistance Program引文格式：汤鑫, 王静静, 李伟, 等. DLC基纳米多层膜摩擦学性能的研究进展与展望[J]. 表面技术, 2024, 53(8): 52-62.TANG Xin, WANG Jingjing, LI Wei, et al. Research Progress and Prospects on Tribological Properties of DLC Based Nano-multilayer Films[J]. Surface Technology, 2024, 53(8): 52-62.*通信作者（Corresponding author）第53卷第8期汤鑫，等：DLC基纳米多层膜摩擦学性能的研究进展与展望·53·Compared with single-layer DLC films with single component, DLC based nano-multilayer films with alternating layers of two or more components can improve the mechanical and tribological properties better, which is due to that different layers in the nano-multilayer films have different combinations of physical and chemical properties. Therefore, it can be designed from many aspects (such as high temperature, hardness, lubrication, and corrosion) to improve the mechanical properties, tribological properties and corrosion resistance of the films. Usually, the nano-multilayer films have good impact resistance and plastic deformation resistance ability, which can effectively inhibit the formation and propagation of cracks, and have a good cycle service life under high load conditions.In this paper, DLC based nano-multilayer films were systematically reviewed, including metal/DLC based nano-multilayer films, metal nitride/DLC based nano-multilayer films, metal sulfide/DLC based nano-multilayer films and other DLC based nanolayer films. Firstly, the design background and concept of DLC multilayer thin films were elaborated. The design idea of multilayer films was to form a gradient mixing interface between multilayers to achieve gradient changes in composition and properties. This multilayer structure could produce unique structural effects, which could effectively reduce various stresses generated during the friction process, and significantly improved the adhesion strength between film and substrate and the overall elastic modulus of the film, which had important significance for the structure evolution of DLC based nano-multilayer films and the interface action mechanism. Then, the friction mechanisms were summarized. The main friction mechanisms of DLC multilayer films were concluded as follows: 1) The nanocrystalline/amorphous structure was formed, which improved the binding force between the layers and reduced the shear force and friction force; 2) The soft/hard multilayer alternating design resisted stress relaxation and crack deflection; 3) Under the action of pressure, the amorphous carbon layer was induced to forma two-dimensional layered structure to achieve incommensurate contact and effectively reduce friction and wear. Finally, thefuture development of DLC-based nano-multilayer films was forecasted. To improve the tribological properties of DLC composite films under extreme, varied and complex conditions, it is necessary to carry out researches from multiple perspectives: 1) Establishing a multi-material system, which combines doping and multilayer gradient design; 2) Regulating the crystal growth rate and increasing the deposition rate and density of the films by multi-technology co-preparation;3) Establishing a more scientific model to study the friction mechanism of DLC.KEY WORDS: DLC based nano-multilayer films; mechanical properties; tribological properties; friction mechanism; structure摩擦磨损现象广泛存在于机械零件的直接接触中，如机械传动、齿轮咬合。

纳米陶瓷材料的研究现状及应用

纳米陶瓷材料的研究现状及应用
一、研究现状
1、纳米陶瓷材料的科学定义
纳米陶瓷材料是一种同时具有有机和无机特性的材料，其中包含硬晶体、软晶体和非晶状结构。

它们具有很高的热稳定性和化学稳定性，且具
有良好的机械性能。

目前，纳米陶瓷材料被广泛应用于多种领域，如生物
医学、煤炭工业、航空航天、能源储存等领域。

2、研究进展
近年来，随着纳米技术的发展，纳米陶瓷材料的研究也取得了快速发展，得到了广泛的应用。

纳米陶瓷材料的研究已从传统的材料表征和性能
测试扩展到对其结构、形貌、微观组成和制备条件等的深入研究。

目前，
研究者正在尝试利用纳米技术制备新型纳米陶瓷材料，以改善其力学性能、尺寸稳定性和多功能性。

目前，纳米陶瓷材料的研究已经取得了一定的进展，并受到了学者们
的广泛关注和研究。

研究者已经成功地通过合成和优化材料结构，提高了
纳米陶瓷材料的力学性能和耐久性，并实现了纳米陶瓷材料的多功能性。

3、未来发展趋势。

纳米科技在陶瓷材料中的应用与研究进展

纳米科技在陶瓷材料中的应用与研究进展概述纳米科技作为一种前沿技术，已经在众多领域展示出了巨大的潜力，并开始在陶瓷材料领域得到广泛的应用。

纳米材料具有独特的物理、化学和力学性质，使其在陶瓷制备与应用方面具备了很多优势。

本文将重点介绍纳米科技在陶瓷材料方面的应用和研究进展。

一、纳米颗粒填充增强材料纳米颗粒填充材料是指通过添加纳米尺度的颗粒来增强陶瓷材料的性能。

由于纳米材料具有高比表面积、较小的颗粒尺寸和较大的界面活性，因此可以提高陶瓷材料的力学性能、热稳定性和尺寸稳定性。

同时，纳米颗粒还能改善陶瓷材料的导电性和磁性。

例如，通过控制添加纳米颗粒的种类、尺寸和含量，可以显著提高陶瓷材料的强度、硬度和韧性，从而提高其在实际应用中的性能。

二、纳米涂层技术纳米涂层技术是指将纳米材料制备成薄膜或涂层覆盖在陶瓷材料表面，以增强陶瓷材料的性能。

纳米涂层可以提供良好的抗氧化、抗磨损和耐腐蚀性能。

此外，纳米涂层还可以调控陶瓷材料的光学、电学和热学性质，改善其表面质量和增加其多功能性。

如纳米钛涂层可以提高陶瓷的耐磨损性和耐高温性能，纳米硅涂层可以提高陶瓷的透明性和生物相容性。

三、纳米陶瓷基复合材料纳米陶瓷基复合材料是指在传统陶瓷基质中添加纳米材料而形成的复合材料。

纳米颗粒在复合材料中可以作为增强相，提高陶瓷基质的力学性能。

同时，添加适量的纳米材料可以改善复合材料的断裂韧性和热稳定性。

例如，添加纳米碳化硅颗粒可以显著提高陶瓷基复合材料的强度、硬度和抗磨损性能。

纳米陶瓷基复合材料还可以通过调控纳米颗粒的种类和含量来实现多种性能的可调控性。

四、纳米陶瓷自修复技术纳米陶瓷自修复技术是指利用纳米材料在陶瓷材料断裂或损伤时自动形成新的结构，以修复或增强陶瓷材料的性能。

纳米颗粒可以在局部区域形成纳米尺度的晶界或纳米颗粒，从而实现裂纹的自修复。

此外，添加适量的纳米材料还可以增强陶瓷材料的断裂韧性，通过吸收和扩散裂纹应力来防止裂纹延伸。

纳米陶瓷自修复技术能够提高陶瓷材料的寿命和可靠性，减少由于外界环境和外力引起的陶瓷材料的损伤。

纳米多层膜的研究进展

纳米多层膜的种类很多，硬度可分为Ｈ＞４按Ｏ
ＧＰａ的硬膜和Ｈ＞８ａ的高硬膜；组合成分可ＯＧＰ按
个周期，为调制周期或调制波长，厚度用以表称其
示．多研究结果证明，许当多层膜调制周期在微米尺度范围内时，多层膜的硬度按照Ｈａ— ｅｃｌＰｔｈ方程随调ｌ
层膜．同构氮化物／化物多层膜具有相同的晶体结氮构和相同的滑移系统，错易于穿越亚界面．具有位如立方结构的ＴｉＶＮ，Ｎ和ＺＮ等过渡族金属氮Ｎ，Ｎｂｒ
化物，它们本身的硬度高，采用气相沉积的方法将当
维普资讯
材
料
研
究
与
应
用
Ｈｅｒｓｎ首先研究了ＴｉＶＮ同构多层ｌｓｏＥｍｅＮ／
在异构纳米多层膜中分膜与分膜之间不能形成共格界面或半共格界面，中一个组分常以亚稳相的形其式与另一组分在界面处形成部分共格关系．究最研多的是ＴｉＡ１多层膜［Ｎ／Ｎ２．Ａ１通常为六方结Ｎ
膜能提高刀具的使用寿命．多层膜还可提高耐蚀性、
收稿Ｅ期：０６０ — ２ｔ２０— ８１
它们沉积成多层膜时，多层膜出现高硬度现象．
作者简介：肖晓玲（９６）女，１６一。湖南祁东人，级工程师，士高博
构，当调制波长小于２ｎ时，ｉ／Ｎ多层膜中的ｍＴＮＡ１Ａ１呈立方ＮＣ结构，时多层膜的硬度急增到Ｎａ１此

硬质多层膜研究进展

Ｓｉｎ采用反应磁控溅射制备的Ｖ。Ｎｂ．ｈｎ０．。Ｎ／Ｎ多层膜，。ＮｂＶＮｂ．和Ｎｂ剪切模量几乎。ＮＮ相同，其晶格错配３５，有发现硬度增加。因但．％没
此可认为协调应变在多层系统硬化中不占主要地位，米多层膜硬度增加的先决条件是剪切模量不纳
多层膜的硬度除与调制周期有关外，与各还单层材料的性能及结构有关。Ｃ：通常为六方形，ＴＮ／ｒＮ超晶格中，ｒＮ在ｉＣ：当每层厚度小于１ｎ时，０ｍ会形成面心立方结构；当
一９ｎＣ２层厚为５ｎ时，ｒＮ又恢复为六５ｍ、ｒＮ０ｍＣ２
以及Ｓ。的高硬度、ｉＮ低密度、较高的抗氧化和腐蚀性能。如果晶体组分的晶粒尺寸在纳米范围，晶与体稳定性极限接近，就可获得最好的结果，因为小纳
米晶不含任何位错。此外，晶组分应足够薄，非以减少裂纹的形成和扩展。同时，晶也应具有高的弹非性模量（ｉ的弹性模量为３５ａ。Ｓ。Ｎ８ＧＰ）３摩擦性能硬质多层涂层不但具有好的硬度、抗磨损性，还具有阻止裂纹、长疲劳寿命的特性ｎ “ 多层界延。盯，面是抵抗裂纹扩展的主要因素。多层膜提高韧性、裂纹扩展的机理是０通抗：过塑性变形来钝化裂纹尖部；依靠弹性或形态差别，

纳米超硬多层膜研究现状及发展趋势

ＡｂｔａｔｓｒｃＴｈｕｒｎｃｉｖｍｅｔａｉｕｈｓｃｌａｏｅｏｉｉｎ（ＶＤ）ｅｈｉｕｓｏｕｅｈｒａｏｅｃｒｅｔａｈｅｅｎｓｉｖｒｓｐｙｉａｐｒｄｐｓｔｎｏｖｏＰｔｃｎｑｅｆｓｐｒａｄｌｎ－ｌ
ＴｅｈｏｏｙＨａｇｈｕ３０１２ＤｅａｔｎｆＭｅｈｎｃｌｎｔｍｏｉｇｎｅｉｇ，Ｃｌｇｆｉｘｎｃｔｎｌｃｎｌｇ，ｎｚｏ１０４；ｐｒｍｅｔｏｃａｉａｄＡｕｏｂｌＥｎｉｅｒｎａｅｏｌｅｏａｉｇＶｏａｉａｅＪｏＴｅｈｏｏｙｉｘｎ１０６ｃｎｌｇ，Ｊａｉｇ３４３）
ｐｐｒＩｒｅｏｏｔｉｉｈｑａｉｈｎｆｍｓｎｒｃｐｅａｄｃａａｔｒｓｉｓｏｈｕｓｄｌｓｒｄｐｓｔｎ（ＬＤ）ａｅ．ｎｏｄｒｔｂａｎｈｇｕｌｙｔｉｉ，ａｄｐｉｉｌｎｈｒｃｅｉｔｆｔｅｐｌｅｅｅｏｉｉｔｌｎｃａｏＰ
维普资讯
・
１・８
材料导报
２００８年２月第２第２２卷期
纳米超硬多层膜研究现状及发展趋势
唐普洪，。宋仁国，国钟陈小明柴，
（浙江２业大学机械制造及自动化教育部重点实验室，１１２杭州３０１；嘉兴职业技术学院机电与汽车分院，１０４２嘉兴３４３）１０６摘要分别从溅射法和蒸发法两个方面评述了近年来纳米多层膜制备工艺的最新进展，此基础上介绍了脉在冲激光沉积（Ｌ工艺制备纳米超硬多层膜的新方法。对典型的超硬膜ＴＮ、Ｔ，ｒＮ、ＴｉＡ１Ｎ、Ｎ／ｉ２Ｂ一ＰＤ）ｉ（ｉＺ）（，）ＴｉＳＯ、１ＳＣ、Ｎ／ｉ进行了简单回顾，ｉＴｉＳＮ并对其硬度、残余应力、摩擦磨损和抗氧化性能等方面做了详细的比较。最后，简述了纳米超硬多层膜表征的一般手段，并展望了发展前景。

硬质薄膜材料的最新发展

硬质薄膜材料的最新发展及应用吴大维(来自：武大弘毅新材料有限公司)摘要：综述了硬质薄膜材料的最新研究状况。

硬质薄膜的设计向着多元化、多层膜的方向发展。

本征超硬薄膜材料，如：金刚石、C-BN、B4C、TiB2、BC4N等的硬度可以达到50－80GPa。

纳米超晶格薄膜和纳米晶复合膜两类新的超硬薄膜的硬度分别随超晶格的调制周期减小，纳米晶晶粒尺寸减小而增加，它们的硬度都能达到40－70 GPa。

最高硬度的薄膜材料nc-TiN / a-Si3N4采用PCVD方法制备，加载30mN测得塑性硬度（Plastic hardness）H=110GPa；加载70Mn，H=80 GPa。

本综述对硬质薄膜的应用前景做了展望。

Abstract: The latest progress of hard thin films was reviewed in this article. The multielement and multiplayer is the important developing direction of hard thin film relently. The hardness of intrinsically super hard materials, Diamond, C-BN, B4C, TiB2 and BC4N etc. can reach 50－80GPa . The hardness of two new superhard thin films, nanosuperlattice films and nanocrystalline complex films, which can reach the value of 40－70GPa ,increase with the reducing period of modulation and the minimizing grain size of nanocrystalline,respectively. The plastic hardness of nc-TiN / a-Si3N4,which possess the highest hardness prepared by PCVD ,was measured in a value of 110 GPa at applied loads of 30mN, in 80 GPa at a loads of 70mN, respectively. Furthermore, the applied prospection of hard films materials was also discussed in the summary.一引言所谓“超硬”材料，系指显微硬度HV≥40GPa的材料。

磁控溅射制备纳米多层膜技术研究

磁控溅射制备纳米多层膜技术研究纳米科学和技术是当前很热门的研究领域，其独特的物理和化学特性，使得其在许多领域具有广泛的应用前景。

其中，纳米多层膜的制备技术是纳米科学和技术领域中一项重要的研究方向。

纳米多层膜是由多个纳米厚度的薄膜组成的，其中每个薄膜层的厚度都只有几纳米。

这种具有多层结构的材料，具有优异的光、电、磁性质等特点，在信息存储、传感器、光学等领域中具有广泛的应用前景。

因此，如何高效、精确地制备纳米多层膜材料，成为了许多科技工作者的热门课题。

磁控溅射制备纳米多层膜技术是制备多层结构薄膜的一种重要方法，它可以在固体表面制备出纳米级别的薄膜。

该方法是采用高纯度的制备材料，通过将其置于真空环境下，并在其表面进行精确的磁控溅射过程，从而在制备材料的表面上形成纳米厚度的薄膜。

磁控溅射制备纳米多层膜技术具有一些优势，首先，制备的多层结构薄膜厚度较小，可调控性强，而且对材料和结构的控制性强，其次，设计和控制磁场条件相对简单，且可实现样品材料多角度的均匀覆盖，还可以利用多个目标材料来制备非常复杂的多层结构薄膜。

这些优势可以在工业界和实验室中得到广泛的应用。

在实际制备纳米多层膜过程中，磁控溅射的影响因素较多，如气压、温度、磁场等因素，对制备的多层薄膜的结构和性能均有重要影响。

因此，磁控溅射过程中对于这些因素的控制非常关键，需要有精确的仪器和技术进行参数的调节和控制，以制备出高质量的纳米多层膜。

此外，磁控溅射的多层厚度和组成也对多层膜的性能有影响。

通常情况下，厚度较小的膜制备得越多，其晶格结构和磁性能就会发生改变。

而多层膜的组成和厚度也将影响其光、电、热性能等。

因此，制备纳米多层膜时要对它们的组成和厚度进行精确控制，在保证其结构稳定的基础上，尽可能地改善其性能。

总之，磁控溅射制备纳米多层膜技术是一种非常重要的制备纳米多层膜材料的技术，在信息存储、传感器、光学等领域具有广泛的应用前景。

研究人员需要不断吸取和研究先进技术，进一步探索和深入理解其工作原理，以充分发挥它的优势并解决其存在的问题，推动纳米科学和技术的发展。

陶瓷纳米薄膜的自组装和表面功能化研究

陶瓷纳米薄膜的自组装和表面功能化研究自组装是一种重要的技术手段，用于在纳米尺度上构建有序的结构。

在纳米科学和纳米技术领域，自组装技术已被广泛应用于纳米材料的制备和器件的构建。

在纳米膜领域，自组装技术的研究也取得了显著进展。

陶瓷纳米薄膜的自组装和表面功能化研究是当前纳米材料领域的一个热点问题。

陶瓷纳米薄膜具有许多独特的性质和应用潜力，例如优异的机械性能、高温稳定性和化学稳定性。

然而，由于其高硬度和脆性，传统的陶瓷材料在薄膜形态下制备具有挑战性。

自组装技术可以提供一种有效的途径来制备大面积、均匀分布的陶瓷纳米薄膜。

在陶瓷纳米薄膜的自组装过程中，控制纳米颗粒的形貌和尺寸分布至关重要。

一种常见的方法是利用乳液法，将纳米颗粒分散于有机溶剂中形成乳液，并通过溶剂挥发或表面张力调控实现薄膜的自组装。

此外，还可以利用表面修饰方法来调控纳米颗粒在基底上的组装行为，例如通过修饰表面的化学键或静电相互作用来实现纳米颗粒的有序排列。

在纳米薄膜的自组装过程中，表面功能化是一种重要的方法，可以增强纳米薄膜的性能和功能。

表面功能化可以通过在纳米颗粒表面引入特定的功能基团来实现。

例如，在陶瓷纳米颗粒表面引入有机链或官能基，可以调控纳米颗粒之间的相互作用力，实现纳米薄膜的自组装和有序排列。

此外，还可以利用表面功能化方法来改善纳米薄膜的稳定性、增强光学和电学性能等。

近年来，许多研究工作致力于陶瓷纳米薄膜的自组装和表面功能化。

一些研究团队通过调控溶液浓度、温度和有机添加剂浓度等参数，成功实现了具有优秀性能的陶瓷纳米薄膜的制备。

同时，一些研究人员还开展了表面功能化方面的研究，通过在纳米颗粒表面引入特定功能基团，实现了纳米薄膜的有序排列和特定功能的增强。

陶瓷纳米薄膜的自组装和表面功能化研究在许多领域具有广泛的应用前景。

例如，在能源领域，陶瓷纳米薄膜可以用于锂离子电池的阳极和阴极材料，提高电池的容量和循环性能。

在传感器领域，陶瓷纳米薄膜可以用于制备高灵敏度和高选择性的气敏传感器，实现对有害气体的检测和监测。

纳米多层膜的硬度研究进展

Ｈ≈３σ，所以氮化物超
晶格硬度：
Ｈ≈３τ／ｍ＝３ｂＲμ１ｓｉｎθ／４πｈｍ
（３）
由式（１）￣（３）可知，晶体Ａ、Ｂ弹性常数相差
（Ｒ）越大，切应力（ σｒ）、映像力（Ｆ）及硬度（Ｈ）也越大，材料就越强、越硬。因此Ｋｏｅｈｌｅｒ指出，Ａ层厚
中图分类号：ＴＢ３０３文献标识码：Ａ文章编号：１８１２－１９１８（２００６）０５－０００４－０５
０引言
自上个世纪７０年代中期第一个微米级多层保护膜ＴｉＣ／ＴｉＣＮ／ＴｉＮ出现以来［１］，多层膜尺寸已达纳米级。由两种不同纳米级尺寸的单层材料交替生长而成的纳米多层膜（又称超晶格薄膜［２］），由于组成材料的结构、性能以及各层间复杂的界面情况，使其在力学、光学、电学、磁学等方面显示出独特的性质。硬度增强现象是其奇特的性质之一，具有理论研究意义和实际应用价值。本文对该领域国内外理论及实际应用的研究进展情况进行了综述，并展望了未来的发展方向。
２．４模板效应（假晶生长）
具有不同晶体结构的两种材料组成超晶格时，一种材料可当作模板，迫使另一种材料的最初几层原子按照自己的晶体结构生长，可产生新特性的材料并导致硬度升高［２１］。ＴａＮ直接沉积在Ｓｉ（１００）或Ｓｉ（１１１）上时，为稳定的六方 ε－ＴａＮ结构。在ＴａＮ（３ｎｍ）／ＴｉＮ（２ｎｍ）［１０］超晶格薄膜中，ＴａＮ却为Ｂ１－ＮａＣｌ型立方亚稳相，这是由于ＴａＮ以立方ＴｉＮ为模板进行晶格匹配以及ＰＬＤ具有非平衡特点导致的。形成的超晶格硬度为２６ＧＰａ，比混合法则所得的值１６．６ＧＰａ高得多。Ｐａｎｋｏｖ［２２］采用ＰＬＤ方法制备调制周期为１￣２０ｎｍ的ＡｌＮ／ＴｉＮ超晶格时发现，调制周期 Λ＞Λｃ时，出现约３０％的立方型Ｂ１－ＡｌＮ相，硬度明显增加（约３０￣４３ＧＰａ），使硬度在Ｋｏｅｈｌｅｒ机制不适用的情况下仍然增强。而通常ＡｌＮ／ＴｉＮ的制备采用磁控溅射和离子镀方法，ＡｌＮ的结构为六方型 ω－ＡｌＮ，硬度约１８￣２１ＧＰａ。类似的情况还发生在磁控溅射制备ＡｌＮ／ＴｉＮ［２３］以及采用ＰＥＣＶＤ法制备的ＴｉＮ／ＢＮ多层膜中［２４］。

纳米多层膜的界面微结构与超硬度

纳米多层膜的界面微结构与超硬度Ξ徐　益1,2,钟富平2,黄　楠1(1.西南交通大学材料学院,四川成都610031;2.重庆工业职业技术学院,重庆400050)摘　要:　综述了近年来纳米多层膜界面微结构及超硬度效应的研究进展,表明纳米多层膜硬化的主要机制是位错镜像力及hall2petch模型,超模效应及晶格错配引起的交变应变场对硬化起次要作用。

关键词:　纳米多层膜;界面微结构;超硬效应中图分类号:　O48文献标识码:A 文章编号:100129731(2004)05205412041　引　言纳米多层膜是由两种及以上材料以纳米级厚度相互交替生长而成的成分或结构可调制的多层薄膜结构。

当调制周期Λ比薄膜晶格常数大几倍或更长时,又称为超晶格。

通过改变材料组合、调制周期Λ及调制比R,可制备出多种纳米多层膜。

从薄膜材料种类可分为金属/金属、陶瓷/陶瓷、金属/陶瓷纳米多层膜;从晶体结构可分为单晶/单晶、多晶/多晶、非晶/多晶、非晶/非晶纳米多层膜;从界面结构可分为同结构共格界面、异结构共格界面、非共格界面纳米多层膜等。

Y ang等[1]在1977年首先发现Au/Ni、Cu/Pd超晶格在Λ=5～10nm时存在超模(硬)效应。

随后Warren[2]、Henein[3]和Tsakalakos[4]等相继在Ag/Pd、Cu/Ni膜中发现同样结果,但在Cu/Au、TiN/TiB2、TiC/TiB2、TiN/TiC中未发现超硬效应[5]。

因此纳米多层膜的超硬度仅发生在某些材料组合中,与材料种类、弹性模量差异、界面反应状态、位错线能量、制备工艺等有关[5],尤其是与界面结构特征有重要的对应关系。

本文就纳米多层膜界面微结构及强度提高机制进行了概述。

2　同结构晶体/晶体纳米多层膜2.1　陶瓷/陶瓷纳米多层膜这类膜主要以过渡族金属氮化物TiN/MoN、TiN/VN、TiAlN/ZrN、TiN/CrN等为主。

这类氮化物本身就具有高硬度,沉积成多层膜时,膜的硬度就更高。