超硬金屬氮化物納米多層膜“模板效應”機理研究

《超硬金屬氮化物納米多層膜“模板效應”機理研究》是依託四川大學，由尹德強擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：超硬金屬氮化物納米多層膜“模板效應”機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：尹德強
• 依託單位：四川大學

項目摘要

製造和加工業的迅猛發展以及日益苛刻的服役環境對刀具和模具材料提出了超硬、耐磨、耐熱、壽命等複合要求，超硬金屬氮化物納米多層膜以滿足上述要求的優良力學性能和可設計性使其作為最富前景的刀具塗層材料受到越來越多的關注與套用，超硬性能是其得到廣泛套用的基礎。對其致硬機理的研究清晰地表明模板效應起著至關重要的作用。本項目擬針對超硬金屬氮化物納米多層膜材料，採用理論(第一性原理、有限元分析)和實驗相結合的方法研究納米多層膜中模板效應的機理及失效形式，明確主要影響因素並定性分析各因素如晶格常數、彈性/剪下模量等影響係數，進而通過摻雜恰當的合金元素增加臨界厚度，並建立性質改良的資料庫，建立從納觀原子尺度到巨觀有限元為基礎的超硬納米多層膜的特性分析方法，為其製備、力學性能的評價和預測提供理論支持。

結題摘要

製造和加工業的迅猛發展以及日益苛刻的服役條件對刀具和模具材料提出了超硬、耐磨、耐熱以及長壽命等符合要求，超硬金屬氮化物納米多層膜以滿足上述要求的優良力學性能和可設計性，使其作為最富前景的刀具塗層材料受到越來越多的關注與套用，而超硬性能是其得到廣泛套用的基礎。而在異構納米多層膜中，致硬機理的研究清晰表明“模板效應”起著至關重要的作用。異構納米多層膜的典型例子是TiN/AlN。AlN常溫下的穩定結構為密排六方結構（hcp），但TiN/AlN納米多層膜中當AlN的厚度<0.5-2 nm （臨界厚度）時，AlN以面心立方（fcc）的結構存在，從而實現TiN與AlN層的共格外延生長。這種共格外延生長在納米多層膜的不同相之間形成共格界面，可有效的減少缺陷，對納米多層膜的機械性能產生重要的影響。為研究異構納米多層膜“模板效應”中臨界厚度的影響：1).針對同構納米多層膜TiN/VN理想拉伸強度進行第一性原理計算，並對電荷密度及差分圖、局域態密度圖以及Mulliken charge分析，研究表明界面處的電荷轉移是影響力學性能的主要因素；2).針對性地研究了TiN/AlN中AlN厚度對納米多層膜性能的影響，研究表明不同AlN厚度的納米多層膜破壞方式差異的主要因素是電荷轉移及原子之間軌道雜化；3).對典型異構納米多層膜TiN/AlN界面模板效應進行研究，利用在TiN(111)表面依次吸附Al與N原子的方式來模擬AlN的生長過程，研究TiN表面模板效應的作用範圍和作用機理，研究表明吸附到第三層N原子層對模板效應臨界厚度具有顯著影響。研究結果為超硬金屬氮化物納米多層膜的製備、力學性能評估以及失效機理分析等提供了理論依據。