基于共格界面的超硬纳米复合膜强化机制及其普适性研究

The German scientist, Stan Veprek, firstly proposed that the superhard effect of TiSiN nanocomposite film originates from the nc-TiN/a-Si3N4 model, in which equiaxed TiN nanocrystallites (nc-TiN) were embedded in amorphous Si3N4 (a-Si3N4) matrix. However, lack of enough experimental evidence, this model brings out many controversies. Based on our initial research results, when TiSiN nanocomposite film was strengthened, Si3N4 interfacial phase presented crystallized state and grew coherently with adjacent TiN crystallites. Accordingly, the coherent-interface based strengthening mechanism of the TiSiN nanocomposite film was proposed. However, the validity and universality of this coherent-interface strengthening mechanism need to be further investigated through experiment and theory aspects. To this end, this project focuses on the following research aspects: (1) By adopting the four representative nanocomposite films, the relations between the hardness and the interfacial phase structure of nanocomposite films are investigated; (2) By designing four corresponding nanomultilayered films with the same interfacial phase thickness, the coherent-interface strengthening mechanism of nanocomposite film is verified through nanomultilayered structure; (3) By using the first principle simulation and coherent-interface strengthening theory, the validity and universality of the coherent-interface strengthening mechanism for nanocomposite films are further verified through simulation and theoretical calculation.

德国科学家Stan Veprek首先提出了TiSiN纳米复合膜的超硬效应来源于非晶Si3N4界面相包覆TiN纳米等轴晶粒的纳米复合结构(nc-TiN/a-Si3N4 模型)，然而由于该模型缺乏足够的实验证据，引起本领域内的诸多分歧。申请人的前期研究发现，TiSiN纳米复合膜在被强化时的Si3N4界面相呈结晶态，并与相邻的TiN纳米晶粒呈共格外延生长，据此提出TiSiN纳米复合膜的共格界面强化机制，但是该机制是否成立和具有普适性，需从实验和理论上加以论证，故本申请项目拟聚焦于以下几方面的研究：(1)选取四种有代表性的纳米复合膜体系，研究纳米复合膜的硬度和界面相结构之间的演变关系；(2)设计具有相应界面相厚度的四种纳米多层膜，利用纳米多层膜结构验证纳米复合膜的共格界面强化机制；(3)利用第一性原理和共面界面强化理论对纳米复合膜共格界面强化机制及其普适性进一步进行模拟计算和理论验证。

德国科学家Stan Veprek首先提出了TiSiN纳米复合膜的超硬效应来源于非晶Si3N4界面相包覆TiN纳米等轴晶粒的纳米复合结构(nc-TiN/a-Si3N4模型)，然而由于该模型缺乏足够的实验证据，引起本领域内的诸多分歧。本项目以NbSiN、ZrSiN、TiNiN、AlYN和TiSiCN纳米复合膜为研究对象，利用反应磁控溅射技术制备了具有不同界面相厚度的纳米复合膜。微观结构表征显示五种薄膜均形成界面相包裹纳米晶粒的纳米复合结构。随着界面相厚度的增加，界面相呈现结晶态，并协调相邻纳米晶粒之间保持共格外延生长，此时位错运动受到共格界面的阻碍，使纳米复合膜产生超硬效应。随着界面相的进一步增厚，界面相转变为非晶态，与相邻纳米晶粒之间的共格界面被破坏，对位错运动的抑制作用消失，纳米复合膜的硬度和弹性模量相应下降。NbSiN、ZrSiN、TiNiN、AlYN和TiSiCN纳米复合膜的强化作用源于纳米晶粒和界面相之间形成的共格界面，其微结构模型可以表示为nc-TmN/c-Interface模型(TmN代表Transition element nitride，Interface前面的“c”代表coherent)。 .本项目解决了纳米复合膜强化机制上的两个关键科学问题。第一，纳米复合膜的共格界面强化机制。通过研究五种纳米复合膜硬度和界面相结构的演变关系，借助于纳米多层膜的实验验证和模拟计算的理论研究，揭示了反映纳米复合膜强化本质的共格界面强化机制。第二，纳米复合膜共格界面强化机制的普适性。通过选取NbSiN、 ZrSiN、TiNiN、AlYN和TiSiCN五种有代表性的纳米复合膜体系，分别对其共格界面强化机制进行实验和理论验证，基本证明了纳米复合膜共格界面强化机制的普适性。本项目在科学上纠正了纳米复合膜现有“nc-TiN/a-Si3N4”强化模型的认识误区，统一纳米复合膜实验现象的分歧，揭示了反映纳米复合膜强化本质的“nc-TmN/c-Interface”共格界面强化机制；在工程上还可按照共格界面强化理论选择和设计新的纳米复合膜材料体系，这对纳米复合结构的超硬薄膜(涂层)材料体系的拓展及其力学性能的提升具有理论指导价值。