金属纳米多层膜力学性能研究进展
CuNiW多层膜的力学行为及其界面效应中期报告
CuNiW多层膜的力学行为及其界面效应中期报告
本研究旨在研究CuNiW多层膜的力学行为及其界面效应。
我们针对该问题开展了一系列实验和数值模拟研究，中期研究成果如下：
一、实验研究
1. 制备CuNiW多层膜样品并进行性能测试。
我们采用磁控溅射技术制备了几种不同结构的CuNiW多层膜样品，并进行了力学性能测试。
实验结果显示，CuNiW多层膜的硬度随着单层膜厚度的减小而增加，而延展性则相应减小。
同时，不同层间界面的结构对多层膜性能的影响也十分显著。
2. 建立应变率加载实验系统以测试CuNiW多层膜的动态响应。
对于CuNiW多层膜的动态响应，我们建立了一个应变率加载实验系统进行研究。
实验结果表明，CuNiW多层膜的动态力学行为受到不同应变率、不同层间界面结构等多个因素的影响。
二、数值模拟研究
1. 开展有限元模拟研究CuNiW多层膜的力学行为。
我们采用有限元方法对CuNiW多层膜的力学行为进行了研究。
模拟结果显示，CuNiW多层膜的力学行为在厚度方向存在明显的非线性，而且不同层间界面的结构对多层膜性能的影响也显著。
2. 基于分子动力学方法研究CuNiW多层膜的界面效应。
我们采用分子动力学方法对CuNiW多层膜的界面效应进行了研究。
模拟结果表明，CuNiW多层膜的不同层间界面结构对其多层膜性能和界面效应都具有重要的影响。
综合以上研究结果，我们认为CuNiW多层膜的力学行为和界面效应是相互关联的，而不同层间界面的结构则是影响多层膜性能和界面效应
的重要因素。
未来我们将进一步加强实验和数值模拟研究，以期深入阐明该问题。
TaN-TiSiN纳米多层膜微观结构与力学性能研究
TaN-TiSiN纳米多层膜微观结构与力学性能研究TaN/TiSiN纳米多层膜微观结构与力学性能研究摘要：纳米多层膜作为一种重要的功能材料，具有广泛的应用前景。
本研究通过制备TaN/TiSiN纳米多层膜，并利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和原子力显微镜（AFM）等技术对其微观结构进行表征。
同时，采用纳米压痕实验仪对其力学性能进行测试。
研究结果表明，TaN/TiSiN纳米多层膜具有致密的结构，层与层之间无明显的界面间隙。
膜中的晶粒尺寸在纳米尺度范围内，平均晶粒尺寸约为20 nm。
纳米多层膜的硬度和弹性模量分别为8 GPa和180 GPa，表明其具有良好的力学性能。
关键词：TaN/TiSiN纳米多层膜，微观结构，力学性能，扫描电子显微镜，透射电子显微镜，原子力显微镜，纳米压痕实验仪引言：纳米多层膜由于其独特的结构和性能，在光电子器件、储能器件和传感器等领域具有广泛的应用前景。
其中，金属-金属化合物多层膜由于其高硬度、高熔点和良好的化学稳定性，被广泛用于硬质涂层和防腐蚀涂层等领域。
然而，对于TaN/TiSiN纳米多层膜的微观结构和力学性能的研究还相对较少。
实验方法：首先，利用磁控溅射技术在硅基底上制备了TaN/TiSiN纳米多层膜。
然后，使用SEM、TEM和AFM对样品进行了显微结构表征。
最后，采用纳米压痕实验仪对其力学性能进行测试。
结果与讨论：SEM和TEM结果显示，TaN/TiSiN纳米多层膜具有致密的结构，层与层之间无明显的界面间隙。
AFM结果表明，膜中的晶粒尺寸在纳米尺度范围内，平均晶粒尺寸约为20 nm。
纳米压痕实验结果显示，TaN/TiSiN纳米多层膜的硬度为8 GPa，弹性模量为180 GPa，表明其具有良好的力学性能。
结论：本研究成功制备了TaN/TiSiN纳米多层膜，并对其微观结构和力学性能进行了详细研究。
结果表明，TaN/TiSiN纳米多层膜具有致密的结构和良好的力学性能，为其在硬质涂层和防腐蚀涂层等领域的应用提供了理论基础和实验依据。
纳米多孔金薄膜的力学性能
１ 纳米 多子 金膜试样的制备 Ｌ
实 验 所用 ｎ — ｕ膜 是 在 硅 晶 片 上 沉 积 Ａ — ｇ ｐＡ ｕ Ａ
合金膜 后用 脱合 金法 来制 取 的 。原 位 纳 米压 痕试 样
是在 硅 晶片上溅 射不 同厚 度 的 ３ ｔ ｕ ７ ｔ ｇ ０ａ％Ａ 一 ０ａ％Ａ 合 金膜 得 到 。Ｔ Ｍ 试 样 是 在 １０ Ｌ 厚 的 Ｓ（ ０ ） Ｅ ８ Ｌ ｍ ｉ １０ 晶 片 （ ｉ 片上 先 涂 上 １ ｍ 的非 晶 ＳＯ 和 ５ ｍ Ｓ晶 ０ｎ ｉ， ０ｎ 的 非 晶 Ｓ Ｎ ） 溅 射 同样 成 分 的 Ａ Ａ ｉ 上 ｕ ｇ合 金 膜 得
实现 。ｎ — ｕ膜 的强 度 和厚 度 可用 原 位 纳米 压 痕技 ＤＡ 术来测量 ，膜 的双轴应 力用 晶片弯 曲技 术来 测量 。
可 以认 为 ，负 载下 降是 由 于孔层 集体 崩 塌所 致 。尽 管 ｎ— ｕ的整体性 能往 往是 脆性 的 ，且 伴 随着裂 纹 ＤＡ 的延 伸 ，但 单 根纳 米线 的变形 仍然 是廷 ｌ 形 。 生变
用 Ｔ Ｍ 观 察 到 了在 纳 米 压 痕 期 问 发 生 在 ｎ － Ｅ ｐ Ａ ｕ膜 纳 米线 内 部 的位 错 运 动 。可 以看 到 ，位 错 跨 越 了纳 米线 的宽 度且 都是 直 的 ，表 明它们 并 不 承受 来 自金线 表 面 的显著 的 拉力 。一 般 而言 ，变 形 时位 错在 纳米 线 内很 容易 运 动 。位 错跨 越 了纳米 线宽 度 并 随后 向纳米 线节 点 滑移 ，有 时它 们会 与其 它纳 米
到。溅射 Ａ Ａ ｕ ｇ合 金 前 ，在 每 一 个 ｓ 晶 片 上 溅 射 ｉ
１ ｍ 厚 的 Ｔ ０ｎ ａ和 １ ｍ厚 的 Ａ 作 为 中间层 ，以增 ０ｎ ｕ 加合金膜 和基片 的连接 。溅射 后 的 Ａ Ａ 膜 用 ７ ％的 ｕｇ ０
含过渡金属氮化物的纳米多层薄膜增韧的研究进展
(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。
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］。
金属多层膜的强度及界面强化能力研究进展
FCCFCC
图 1 金属多层膜硬度与单层厚度关系
FCCBCC
大, 这一方面是因为所采用的实验方法不同 ; 另一方 面可能是材料微观结构和应力状态也存在差异 . 虽 然不同研究者报道的实验数值具有的分散性 , 但总 体上可以将金属多层膜的硬度与单层厚度关系划分 为 3 个区域. 区域 I: 多层膜的单层厚度在亚微米及 其以上尺度的区域 . 金属多层膜的硬度与单层厚度 之间符合 Hall-Petch (H-P)关系 , 即多层膜硬度与单 层厚度的平方根倒数成正比 ( H H 0 K / 1/ 2 ). 在该 区域 , 各金属多层膜体系除硬度数值大小不同以外 , 其 H-P 斜率(K)数值也不同, 表明金属多层膜的界面 与多晶材料的晶界作用相似 , 即对位错的运动均具 有阻碍作用。随着单层厚度进一步减小 , 多层膜的硬 度仍然增加, 但其逐渐偏离了根据 H-P 关系外延的强 度, 如图 1 中的区域 II 所示. 当单层厚度减小到 10 nm 以下时(区域 III), 不同多层膜体系的硬度与单层 厚度表现出了不同的变化趋势. 如 Cu/Cr 多层膜的硬 度不随单层厚度变化 , 硬度出现一个平台区 ; Cu/Nb 多层膜硬度随着单层厚度减小一直逐渐增加 ; Cu/Ni 多层膜的硬度在出现极大值以后 , 随单层厚度进一 步减小而出现下降的趋势. Cu/Au 和 Cu/Cr 多层膜的 纳米压痕实验研究结果表明 [13, 15, 16]: 当多层膜的单 层厚度较大时, 其强度 /硬度均符合 Hall-Petch 关系, 但当单层厚度小于 50 和 35 nm 时, 两种多层膜硬度 虽然仍在增加, 但增长的幅度明显小于根据 H-P 关系 外延的强度 , 这种变化趋势和文献报道的实验结果 非常相似 , 说明相同的尺度下 ( 区域 I)不同类型的多 层膜体系具有相似的强化机制. 表 1 总结了由面心立方-面心立方(FCC-FCC)和 由面心立方 -体心立方 (FCC-BCC) 两种金属组成的金 属多层膜体系的极值强度 (Hmax)及其所对应的单层厚 度范围和相应的 H-P 斜率. 从中可以看出, 大多数金
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。
AlNBN纳米结构多层膜微结构及力学性能
571 6
794 ) 900
271 0
790 ) 831
261 0
240
012504 013615 012553 013111
01 6660 )
01 4228 01 4979
对 AlN 和 BN 层 厚分 别 为 410 和 0132 nm 的 AlNPBN纳米结构多层膜的 HRTEM 分析表明, 多层 膜呈柱状晶, 图 2( a) 是经快速傅里叶变换( FFT ) 后 的形貌图. 从图 2( a) 可以看出, BN 以 AlN 为模板产 生了同结构 的共格外延 生长, 形成了纤 锌矿 w- BN 晶体结构, 此时的 BN 的晶 格常数与 AlN 的晶格常 数一样, 在其界面上没有形成位错. 薄膜的选区电子 衍射( SAED) 花样( 图 2( b) ) 是以电子束沿 Si[ 110] 晶 向拍摄的, 显示了一系列典型的纤锌矿结构, 具有很 强的( 0002) w-AlN M( 002) Si 结构的 AlN 布拉格反射. 多
图 2 AlN( 410 nm)PBN ( 01 32 nm) 多层膜显微形貌及电子衍 射花样 ( a) 截面 HRTEM 图像, ( b) SAED 花样
图 3 AlN 和 BN 的层厚分别为 51 45 和 01 55 nm 的 A lNPBN 多层膜的 HRTEM 图像
( 101) 和( 110) 环. 为了了解 AlN 层和 BN 层的界面情 况, 在高倍率下对该试样进行了观察( 图 5) , 表明部 分 BN 层转变为非晶, 部分 BN 层 尽管没有变成非 晶, 但在界面上晶格条纹发生了扭曲. 如在图 5 的区
到目前为止, 人们在多层膜的非平衡生长及性 能研究中, 主要研 究了调 制层 之间 的错配 度较 小 的纳米多 层膜的 情况, 本 文研 究了 错配度 较大 的 AlNPBN 纳米 多层 膜的 微结 构和 力学 性能 .
纳米双金属多层膜力学行为的研究进展
纳米双金属多层膜力学行为的研究进展
沈心成;张子扬;张运伍;操振华
【期刊名称】《中国材料进展》
【年(卷),期】2024(43)1
【摘要】纳米双金属多层膜是由2种金属按照一定的调制周期交替沉积而形成的
一种层状薄膜材料,凭借着特殊的结构和优异的物理、化学和力学性能,在微机电系统、机械加工以及微电子器件等领域有着广泛的应用潜力,被国内外学者广泛关注
和研究。
针对近年来纳米金属多层膜力学行为的研究现状,围绕纳米金属多层膜的
微观结构、力学性能及其内在塑性变形机制3个方面进行了综述。
总结了纳米金
属多层膜中的晶粒尺寸、孪晶以及异质界面等微观结构,分析了这些因素对其力学
性能的影响,阐述了力学性能和塑性变形的尺寸效应,介绍了兼具良好强度和塑性的
纳米金属多层膜设计策略,可通过控制多层膜的调制周期和引入合适的界面结构制
备具有高强度/塑性的纳米金属多层膜,讨论了影响纳米金属多层膜塑性变形的内禀机制及主要影响因素。
最后,对纳米金属多层膜未来的发展方向进行了分析和展望。
【总页数】11页(P1-11)
【作者】沈心成;张子扬;张运伍;操振华
【作者单位】南京工业大学材料科学与工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TB383
【相关文献】
1.调制结构对TiN/ZrN纳米多层膜的表面形貌、生长行为及力学性能的影响
2.NbMoWTa/Ag自润滑纳米多层膜的力学性能及摩擦学行为
3.Ti/Al纳米多层膜的表征和力学行为研究
4.金属/高熵合金纳米多层膜的力学性能及其辐照效应研究进展
5.金属/高熵合金纳米多层膜的制备、微观结构及力学性能研究进展
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若干金属纳米多层膜界面结构及力学性能研究
若干金属纳米多层膜界面结构及力学性能研究近年来,新型功能材料及器件向小型化,集成化和复合化发展的趋势,使得尺寸在纳米尺度的层状材料和柔性多层器件在使用过程中的服役行为成为其发展的关键科学问题。
本文采用超高真空电子束蒸发镀膜工艺制备了fcc/fcc体系Cu/Ni和Cu/Co纳米多层膜及fcc/bcc体系Cu/Nb和Ag/Fe纳米多层膜,研究了纳米多层膜力学性能与其微结构,尤其是界面结构之间的关系,探讨了纳米多层膜在不同尺度范围的塑性变形机制。
研究结果表明,具有完全共格界面的Cu/Ni和Cu/Co纳米多层膜的强度值与其共格界面上的共格应力相等,在实验上证实了共格应力是决定fcc/fcc超晶格结构纳米多层膜强度最大值的关键因素。
Cu/Nb纳米多层膜的强度最大值为3.27GPa,是Cu/Nb纳米多层膜强度平均值的2.1倍,表现出很大的强化效应。
此外,变加载应变率硬度实验证明Cu/Nb纳米多层膜的超高强度与大的应变硬化有关。
论文中所研究的金属纳米多层膜的强度(或硬度)在周期变化范围内均随周期的减小而增大,表现出强化效应。
Cu/Ni、Cu/Co和Cu/Nb纳米多层膜在大周期时的塑性变形机制为单个位错在层内滑移机制;在小周期时,塑性变形机制转变为位错穿越界面机制。
Ag/Fe纳米多层膜的硬度随周期的变化符合类Hall-Petch关系。
论文中所研究的金属纳米多层膜的弹性模量在周期变化范围内均超过了弹性模量平均值,表现出弹性模量增强。
Cu/Nb纳米多层膜的弹性模量比弹性模量平均值最大增加38%,不对称的界面结构是导致Cu/Nb纳米多层膜出现异常弹性模量增大的主要原因。
对fcc/fcc超晶格结构Cu/Ni和Cu/Co纳米多层膜来说,弹性模量增强与半共格界面的界面压应力以及共格界面的共格应力相关。
界面压应力是Ag/Fe纳米多层膜的弹性模量在小周期增大的主要原因。
本论文所研究的金属纳米多层膜的室温蠕变机制都是位错滑移-攀移机制。
ZrN纳米多层膜的生长行为及力学性能研究的开题报告
TiN/ZrN纳米多层膜的生长行为及力学性能研究的开题报告
1.研究背景和意义
纳米多层膜在工业和科学研究领域具有广阔的应用前景，如在纳米机械系统、电子器件、光电子器件、生物医学工艺和航空航天等领域。
其中，TiN/ZrN纳米多层膜由于其高硬度、高韧性、高致密性、高氧化还原稳定性和良好的耐腐蚀性能已成为研究的热点。
因此，研究TiN/ZrN纳米多层膜的生长行为和力学性能有重要的理论价值和实际
应用价值。
2.研究内容和方法
本文拟对TiN/ZrN纳米多层膜的生长行为和力学性能进行研究，主要包括以下内容：（1）利用物理气相沉积（PVD）方法制备不同周期数的TiN/ZrN多层膜。
（2）采用扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）和X射线衍射（XRD）等
技术对TiN/ZrN纳米多层膜的生长行为进行表征和分析。
（3）采用纳米压痕技术，研究TiN/ZrN纳米多层膜的力学性能，包括硬度、弹性模量、强度、韧性等方面。
（4）分析TiN/ZrN纳米多层膜周期数的影响，探讨其各种力学性能之间的关系。
3.预期成果和意义
通过对TiN/ZrN纳米多层膜生长行为和力学性能的研究，可以深入了解纳米多层膜的
制备和应用机理，提高其应用性能和环境适应性，并为其他相似材料的研究提供一定
参考。
同时，研究成果也有助于完善以TiN/ZrN纳米多层膜为代表的高性能材料的研
究体系，推动其在新能源、环境保护、国防军工、微机械制造等领域的应用。
TiN_AlN纳米多层膜的研究
S2 S315 S5 2 315 5
S7 7
S9 9 110 400 111
S12 12 110 400 83
S15 S10 15 110 400 67 20 110 400 50
S15 30 110 400 33
S50 50 110 400 20
110 110 110 110 400 400 400 400
cro st ructu re and m echan ica l p rop ert ies w ere determ ined by XRD , HR EM and m icro inden to r re2 sp ect ively 1 T he resu lt s show tha t T iN A lN nano 2 m u lt ilayers have a good p eriod ic m odu la t ion st ructu re 1 A lN layers g row ep itax illy on the T iN layers a s FCC st ructu re in nano 2 m u lt ilayer w ith sho rt m odu la t ion w aveleng th 1 How ever , hexagona l crysta ls app ea r in A lN layers w ith m odu la t ion w aveleng th increa sing 1 T he m icroha rdness of T iN A lN nano 2 m u lt ilayers increa ses w ith reduct ion of their m odu la t ion w aveleng th and reaches the m ax im um va lue H K 3293 a t
金属薄膜的纳米力学研究
金属薄膜的纳米力学研究金属薄膜是由金属材料薄而均匀的分布在基底表面上的结构。
由于其独特的力学性能和广泛的应用前景，金属薄膜在材料科学和纳米技术领域中受到了广泛的关注。
其中，纳米力学研究是解决金属薄膜在力学性能方面存在的问题的重要途径之一。
金属薄膜的纳米力学性质金属薄膜与大块材料相比，它们的物理和化学性质都有很大不同。
金属薄膜在制备过程中受到有限的厚度限制和表面张力的影响，从而在材料的结构、物理性质和化学性质等方面呈现出独特的特征。
在这些特征中，纳米颗粒内的界面之间的能量变化、金属粉末的形成和外部力的作用是理解纳米金属薄膜力学性质的关键。
金属薄膜的力学性质涉及到其在变形和断裂方面的行为特征。
薄片的强度随其厚度的减小而逐渐增加，这与薄片中相对变形和剪切面积的增加有关。
此外，与体材料相比，金属薄膜的柔软性也得到了明显增强。
因为它们具有更大的形变能力和更小的损失。
在纳米金属薄膜力学中，纳米颗粒自身的尺寸对于金属薄膜的力学性质也具有很大的影响。
较小尺寸的颗粒可能会导致变形不均匀，而较大的颗粒可能会导致崩溃或拉伸。
在NEMS（纳米电子机械系统）和MEMS（微电子机械系统）等领域中，提高材料的机械性能是发展先进微纳科技的必要条件之一。
纳米琴弦实验目前，研究纳米金属薄膜的力学性质需要借助先进的实验手段。
最近，来自南加州大学Theresa Mayer教授领导的科学家小组就在此方面取得了重要进展。
他们利用微纳加工和聚焦离子束技术将单层硅基金属薄膜制成了纳米铜琴弦的形状。
然后，在转台上用AFM观察和调节琴弦的表面结构，并进行相应的电子输运测量。
通过这一实验，研究者们得出了一些有趣的观察结果。
首先，他们发现单层铜薄膜的弯曲刚度非常高。
然后，他们观察到，当纳米铜琴弦的长度变化时，其电阻随之变化。
这一发现表明，微小的变形可以显著影响纳米晶体中的电子输运，这为电子器件的微结构设计提供了重要的信息。
此外，纳米琴弦还可以用于研究纳米尺度下的摩擦、拉伸、疲劳、断裂、流变、塑性等现象，从而深入探讨纳米金属薄膜的力学性质。
电镀纳米金属多层膜研究现状
综 述电镀纳米金属多层膜研究现状T he Status of the Study of nm Metal Multi-Layer Plating桂 枫 姚素薇 (天津大学化工学院,天津300072)摘要: 介绍了纳米金属多层膜的研究现状,讨论了单槽法电镀纳米多层膜的原理和脉冲设计方法,简述了纳米多层膜的结构与特性,分析了纳米多层膜的发展趋势。
关键词: 纳米 金属 多层膜Abstract: T he Status of nm metal mult-i layer are stated,principles and pulse desig n method of nm mult-i layer plating with sing le-tank discussed,structure and characterist ics of nm mult-i layer outlined and its tr ends analyzed. Keywords: Nanometer Metal Multi-layer1 前言纳米材料是近年来发展起来的一种新兴材料,当粒子尺寸进入纳米量级(1~100nm)时,其本身具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应,因而展现出许多特有的性质,在催化、滤光、光吸收、磁介质及新材料等方面有广阔的应用前景[1]。
纳米多层膜又称组分调制合金(Composition M odulated Alloys,简称CMA),它是指一种金属或合金沉积在另一种金属或合金上构成的成分和结构周期性变化,相邻两层厚度之和(称为调制波长 )为纳米尺寸的材料[2]。
这种材料因尺寸为纳米级,有大量的内界面,表现出 量子尺寸效应 ,所以具有特殊的光学、力学、电磁学、耐磨、耐蚀、巨弹性模量、巨磁阻效应等性能。
早在1921年Blum已利用两种不同的电解液制得金属多层膜,1949年Br enner在同一电解液中制得了Cu-Bi多层膜[3]。
TiC基纳米多层膜的微结构和超硬效应的开题报告
TiC基纳米多层膜的微结构和超硬效应的开题报告
论文题目：TiC基纳米多层膜的微结构和超硬效应
题目研究背景：
钨钢等金属材料在高温高压等恶劣环境下易受热蚀、氧化，导致材
料寿命缩短，生产设备效率降低，维护成本增加等问题。
利用钨钢等金
属材料进行涂覆提高其耐磨性、耐腐蚀性、降低摩擦系数等变成越来越
广泛的应用领域。
TiC基纳米多层膜是当今最受关注的涂覆材料之一。
该材料具有硬度高、耐磨性好、化学稳定性强等特点，可在高温高压环境
下发挥出色的耐用性和性能稳定性。
研究内容：
本论文将探讨TiC基纳米多层膜的微结构特点及其本身所具有的超
硬效应。
研究中将使用多种表征手段，包括扫描电子显微镜、透射电子
显微镜、X射线衍射仪等，对其微结构和输运性质进行分析，探究其超硬效应的来源和使用前景。
研究方法：
1.利用卤素灯热蒸发技术制备TiC基纳米多层膜；
2.通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪等仪器对制备的TiC基纳米多层膜进行物理、化学分析；
3.对TiC基纳米多层膜进行力学性能的测试，探究其超硬效应的来源。
研究意义：
1. 对TiC基纳米多层膜的微结构和超硬效应进行深入研究，能够指
导该材料在工业应用中更好的发挥优势；
2. 提供了一种全新的涂覆方式和材料，为钢铁、汽车、国防和航天
等领域的工程技术开发提供了新思路；
3.利用该研究结果，还可以帮助进一步推动纳米器件、纳米传感技术、纳米机器人等相关领域的发展。
纳米金属薄膜的制备与性能研究
纳米金属薄膜的制备与性能研究金属薄膜是一种非常重要的功能性材料，广泛用于光电子器件、传感器和能源设备等领域。
随着纳米科技的发展，研究人员开始关注纳米金属薄膜的制备与性能研究。
本文将深入探讨纳米金属薄膜的制备方法和研究进展。
首先，纳米金属薄膜的制备方法多种多样，其中物理蒸发和化学合成是两种常用的方法。
物理蒸发是指通过热蒸发、电子束蒸发或激光蒸发等方式，让金属材料从固态直接转变为薄膜。
这种方法简单、易于控制薄膜的厚度和成分，但对基底材料依赖性较强。
而化学合成则是通过溶液中的化学反应来合成纳米金属颗粒，再将颗粒沉积在基底上形成薄膜。
这种方法制备的薄膜结构较为均匀，但对反应条件和溶剂选择有较高的要求。
在纳米金属薄膜的性能研究方面，表面等离子体共振（SPR）是一个非常重要的研究手段。
SPR是指当金属薄膜和介质之间存在界面时，入射光会激发金属表面的电磁波，产生共振现象。
利用SPR技术，可以对纳米金属薄膜的光学特性、电子传输性质等进行表征。
例如，通过调控金属薄膜的厚度和金属的种类，可以实现对材料的光学吸收和散射性能的调控，从而广泛应用于太阳能电池和光电传感器等领域。
另外，纳米金属薄膜的热力学性质也是研究的重点之一。
由于纳米金属薄膜的尺寸减小，其表面积与体积之比增大，从而导致其热力学特性发生改变。
例如，纳米金属薄膜的熔点和相变温度可能与宏观金属材料不同，这与表面能的改变和晶格约束效应有关。
因此，研究纳米金属薄膜的热力学性质对于了解纳米材料的热稳定性和相变行为具有重要意义。
此外，纳米金属薄膜的电学性质也备受关注。
由于其尺寸效应和晶格约束效应的存在，纳米金属薄膜可能呈现出与宏观金属材料不同的电导率和电介质性质。
研究人员通过调控纳米金属薄膜的厚度、晶粒大小以及添加各种掺杂物等方法，以期实现对纳米金属薄膜导电性能的调控。
这对于纳米电子器件的制备和性能提升具有重要意义。
总之，纳米金属薄膜的制备与性能研究是一个充满挑战又具有广阔应用前景的领域。
Cr-Al双层纳米薄膜的力学性能测试及其仿真分析(1)
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟Cr/Al 双层纳米薄膜的力学性能测试及其仿真分析(1)采用纳米压痕仪测量Cr/Al 双层纳米薄膜的力学性能，结合有限元仿真的手段对压痕测试进行模拟。
通过实验测出了双层膜的弹性模量值和硬度值随着压深h 的不同而表现出一定的变化规律，以及得出了溅射时由于核能粒子的轰击而形成的界面层的厚度及其力学性能特征。
有限元仿真是对纳米压痕实验的补充，找出了应力主要集中在压头附近的区域，并且发现了最大应力主要集中在双层膜的下层Al 膜中，而非上层膜Cr 膜中。
纳米薄膜具有许多独特的性能，如具有巨电导、巨磁电阻效应、巨霍尔效应、可见光发射等。
这些特殊的性能使其可用做气体催化材料、过滤器材料、高密度磁记录材料、光敏材料等，从而使得纳米薄膜得到了广泛的应用。
双层膜由于在结构上与单层膜具有较大的差异，使其具备单层膜难以达到的性能，如双层膜不仅能够提高硬度和摩擦磨损性能，还能够改善涂层的韧性、抗裂纹扩展能力和热稳定性等性能。
虽然双层膜具有如此多的性能，力学性能仍是其基本性能，目前对于双层膜力学性能方面的研究主要是针对膜与衬底间结合性能的研究，主要的研究手段是通过使用纳米压痕设备对薄膜样品进行力学性能测试，但是目前对于双层膜中膜与膜之间界面的研究相对较少。
因为膜与膜之间所形成的界面具有复杂的组织结构和力学性能。
纳米压痕仪以其较高的载荷和位移分辨率（分别优于1 nN 和0.0002 nm）以及对样品近似于无损检测等优点，故被广泛的用于纳米薄膜的力学性能测试，可以得到纳米薄膜的弹性模量、硬度、蠕变特性、疲劳特性和粘附等性能。
虽然双层膜中各组成膜以及膜与膜间所形成的界面层厚度均在纳米数量级，但由于纳米压痕仪是通过极细的金刚石探针与被测材料点。
纳米多层膜的研究进展
ＧＰ ａ的硬 膜 和 Ｈ＞ ８ ａ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— ｅｃ ｌＰ ｔｈ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 Ｔｉ ＶＮ， Ｎ 和 Ｚ Ｎ 等 过渡 族 金 属 氮 Ｎ， Ｎｂ ｒ
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
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研
究
与
应
用
Ｈｅ ｒｓ ｎ 首先研 究 了 Ｔｉ ＶＮ 同构 多 层 ｌ ｓｏ Ｅ ｍｅ Ｎ／
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 Ｔｉ Ａ１ 多层 膜 ［ Ｎ／ Ｎ ２ ．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 ： ０ ６ ０ — ２ ｔ ２０— ８ １
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 （ ９ ６ ） 女 ， １ ６ 一 。 湖南 祁 东人 ， 级 工 程 师 ， 士 高 博
构， 当调 制波 长小 于 ２ ｎ 时 ， ｉ ／ Ｎ 多层膜 中的 ｍ Ｔ Ｎ Ａ１ Ａ１ 呈立 方 Ｎ Ｃ 结 构 ， 时 多 层 膜 的 硬 度 急 增 到 Ｎ ａ１ 此
Cu纳米多层薄膜调制结构及力学行为研究的开题报告
Fe/Cu纳米多层薄膜调制结构及力学行为研究的开题报告题目：Fe/Cu纳米多层薄膜调制结构及力学行为研究研究背景：纳米多层薄膜是一种具有独特力学行为的材料，其力学性能往往受到膜层厚度、组成、结构等因素的影响。
因此，在纳米多层薄膜领域的研究一直受到物理、化学、材料等学科的关注。
Fe/Cu纳米多层薄膜是一种应用广泛的材料，其具有优异的磁性、导电性以及耐高温性等特点，被广泛应用于电子、信息等领域。
然而，现有的研究多集中于膜层厚度和成分对其磁学特性的影响研究，很少关注其力学行为。
研究内容和意义：本研究将通过纳米多层薄膜的制备、结构表征及其力学性能测试，探究Fe/Cu纳米多层薄膜在不同组成及结构条件下的力学行为。
具体研究内容包括：1. 制备Fe/Cu纳米多层薄膜，控制其厚度、组成、结构等因素；2. 通过X射线衍射、原子力显微镜等现代表征手段，研究纳米多层薄膜的晶体结构、表面形貌及成分分布等性质；3. 应用纳米压痕等方法测试纳米多层薄膜的力学性能，分析其硬度、弹性模量、压缩变形行为等力学特性；4. 探究Fe/Cu纳米多层薄膜的力学行为与其结构及组成之间的关系，揭示其力学行为的本质规律。
本研究对于深入了解Fe/Cu纳米多层薄膜的力学行为及其与结构、组成等因素的关系有着重要的意义，有助于为其在电子、磁学等领域的应用提供理论和实验基础。
研究方法：本研究主要采用纳米多层薄膜的制备技术、X射线衍射、原子力显微镜、纳米压痕等表征和测试手段，结合计算机模拟等方法，全面系统地研究Fe/Cu纳米多层薄膜的力学行为及其与结构、组成等因素的关系。
预期结果：预计通过本研究可以获得Fe/Cu纳米多层薄膜的力学行为及其与结构、组成等因素之间的关系，并探究其本质规律。
同时，为其在电子、信息等领域的应用提供理论和实验基础。
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关 键 词 ：纳米多层 膜 ；界面结构 ；力 学性能 ；塑性变形 ；纳米压痕
中 图分 类 号 ：Ｔ ３ Ｂｌ
文 献 标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：１７ ３ ６ （ ０ １ １ ６ ４— ９ ２ ２ １ 】０—０ ０ ０ １—１ ３
Ｐｒ ｇ ｅ ｓ ｉ ｅ ｅ ｒ ｈ ０ ｈｅ Ｍ ｈａ ｉ ａ ｒ ￣ ｓ ｎ Ｒｅ ａ ｃ１ ｎ ｔ ｅ ｏ ｒ ｌ Ｋ ｓ １ ｃ ｎｅ ｌ ｃ Ｐｒ ｐｅ ｔｅ ｌ ａ ｓ ａ ｅ Ｍ ａ ｌｃ Ｍ ｕｌｉ￣ ｅ ｓ ｏ ｅ ｉ ｓ Ｏ ｎｏ ｃ ｅ ｌｉ ｒｌ “Ｎａ ｌ ｔ ｔｌ ） ｒ ｌａ ｙ
第３ ０卷
第１ ０期
中 国 材 料 进 展
ＭＡＴ ＥＲＩ ＡＬＳ ＣＨＩ ＮＡ
Ｖｏ ． ０ Ｎｏ １ １３ ．０
０ｃ ． Ｏ１ ｔ２ １
２１ ０ １年 １ ０月
金 属 纳 米 多 层 膜 力 学 性 能研 究 进 展
朱备再制造 工程系 ，北京 １０ ７ ） ０ ０ ２ （２ ．清 华大学材料科 学与工程 系 先 进材料教 育部重点实验 室 ，北京 １０ ８ ） ００４
摘 要 ：新 型功能材料及器件 向小型化 ，集成化 和复合化发展 的趋势 ，使得尺寸在纳米 尺度的层状材料 和柔性 多层器件在使
用过程 中的服役行为成 为其 发展的关键科学 问题 。本文结合作 者近 几年对 Ａ ／ 系列和 Ｃ ／ 系列 多层膜 力学性 能 的研究 工 ｇＭ ｕＭ 作 ，对金 属纳米多层膜 的微 结构特征及其对力 学性能的影响进 予 了 回顾和总结 ，主要 包括多 层膜 的晶粒形貌 对其强 化机制 和 了 塑性变形行 为的影响 ，组元 强度错配对多层膜硬 化行为的影响 ，界面结构与其 强度极 值的关 系 、不对 称界面 结构引起 的异 常 弹性模量 增强和多层膜 的室 温蠕变机制及界 面结 构埘蠕变性能 的影 响等几个方 面 ，并 对多层膜 的力学性 能研究进行 了展望