国内PVD技术应用与研究现状(二)

    按照Koehler外延异质结构理论，当沉积制备两种不同弹性模量金属M(1)和M(2)的多层膜时(EM(1)〈EM(2)〉，单层膜的厚度尺寸达到较小数量级时，可有效地阻碍位错源在层内的增殖；当受外部应力作用时，M(1)中的位错将向M(1)/M(2)界面移动，M(2)中形成的弹性应变会产生一种排斥力，阻碍位错通过界面，因此多层膜的硬度比由混合规则计算得到的硬度高得多。基于Koehler理论，纳米多层膜的研究已逐渐成为涂层界的开发热点，其设计思路是控制多层膜的一维周期结构，有效调整膜中的位错、缺陷及运动，从而获得高硬度、高模量及高温性能优异的薄膜。

    按其组成，纳米多层超硬膜可分为如下几类：

    氮化物/氮化物：TiN/VN，56GPa；TiN/VNbN，41GPa；TiN/NbN，51GPa；TiN/SiN，80～105GPa

    氮化物/碳化物：TiN/CNX，45～55GPa；ZrN/CNX，40～45GPa

    碳化物/碳化物：TiC/VC，52GPa；TiC/NbC，45～55GPa；WC/TiC，40GPa

    氮化物或碳化物/金属：TiN/Nb，52GPa；TiAlN/Mo，51GPa

    氮化物/氧化物：TiAlN/Al2O3

    硼化物/氮化物或碳化物：TiB/TiN，TiB/TiC，50～70GPa

    金属/金属等

    纳米多层膜的超硬特性及高的模量预示着在工具领域的广阔应用前景，因此激发了国内相关科研工作者的开发热情。自2000年以来，武汉大学、吉林大学、上海交通大学、西安交通大学等相继开展了类似的研究工作。研究的重点在于各类纳米多层膜致硬机理的探索，所研究的膜系涉及C3N4/TiN、TiN/NbN、TaN/NbN、TiN/Al2O3，TiN/Si3N4，TiN/AlN，TiN/TiB2，TiN/SiO2，TIN/SiC，AlN/VN，Si3N4/CrN等，并获得了所期望的硬度及杨氏模量，而采用的制备手段则以PVD磁控溅射技术为主。上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室所做的纳米多层AlN/(Ti,Al)N膜，当一维调制周期为10nm时，得到最高硬度29GPa；而当一维调制周期为1.3nm时，可得到最高杨氏模量377.8GPa。

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