《超厚硬質薄膜的內應力調控及動態結合性能研究》是依託西安交通大學，由徐可為擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：超厚硬質薄膜的內應力調控及動態結合性能研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：徐可為
- 依託單位：西安交通大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
厚度數十甚至數百微米的硬質薄膜在技術上已有所突破，進一步增強了人們對薄膜力學性能特別是界面結合強度和薄膜斷裂韌性的持續關注熱度。儘管超厚硬質薄膜的研究目前仍主要集中在超厚尺度的實現途徑上，但人們已開始認識到硬質薄膜的增厚機理及其調控機制已成為制約其進一步發展和套用的關鍵因素。本項目擬通過氣相沉積超厚多元複合TiAlSiCN和多層複合TiAlSiCN/Ti納米硬質薄膜，研究納米結構最佳化和層狀應力緩釋對膜厚大幅增加的效果；基於壓入法和接觸疲勞法，探究超厚硬質薄膜的斷裂韌性和界面結合性能表征；比照傳統的靜態壓入法和劃痕法，建立隨膜厚增大薄膜靜態和動態結合性能的表征模型；結合薄膜特徵結構分析及內應力測試，闡明氣相沉積超厚硬質薄膜在特定條件下開裂和剝落的本質屬性。為金屬材料表面強附著、高韌性、大厚度的氣相沉積硬質薄膜的微結構設計及內應力調控提供理論和實驗參考。
結題摘要
薄膜內應力是制約氣相沉積硬質厚膜開發和套用的關鍵因素之一。研究厚膜內應力工藝調控參數及機理，並通過層狀結構最佳化薄膜組織和內應力，是獲得強結合、高韌性、大厚度氣相沉積硬質薄膜的重要途徑。本項目以TiN基硬質薄膜為主要研究對象，研究氮化物硬質薄膜厚度與組織的關係，探討超厚硬質薄膜斷裂韌性的評價方法，探究影響薄膜內應力形成的因素及調控手段，建立硬質薄膜動態結合強度的定量表征，進而闡明硬質薄膜在外載入荷和內應力共同作用下薄膜剝落的本質。研究表明，多弧離子鍍單層膜柱狀晶組織隨厚度增大而粗化，多層膜可有效細化晶粒；韌性金屬基體上超厚膜的斷裂韌性可以通過四稜錐壓頭小載荷多次壓入結合大載荷一次壓入的方法獲得，具有粗大柱狀晶組織的薄膜斷裂韌性較低；硬質膜內應力以組織應力為主，通過偏壓和氣壓參數減少沉積粒子的能量輸入可降低薄膜殘餘壓應力；提出了引入一定塑性變形的陶瓷球滾接觸疲勞和球形壓頭多次壓入等動態結合強度評價方法，可有效促成薄膜沿界面的剝落，並得到薄膜剝落時膜基界面疲勞強度的定量表征，所得結果能夠明顯反映膜基界面狀態差異，而且不受膜厚等非界面因素影響；基片彎曲法測得的薄膜內應力隨厚度增大而降低，但採用有限元模擬方法計算得到的殘餘應力在膜基界面產生的切應力數值仍然為增大的趨勢，較高的內應力在膜基界面處引入的切應力使較低的外載入荷下即出現薄膜剝落。本項目的研究揭示了氣相沉積硬質膜殘餘應力隨薄膜厚度的演化規律，探明了殘餘壓應力對膜基動態結合強度的作用機制，所提出的膜基動態結合強度評價方法和超厚硬膜斷裂韌性評價方法擴展了硬質膜力學性能定量評價範圍，對於硬質厚膜的設計、製備和套用具有重要的指導意義和實用價值。
