纳米多层膜中界面应力对Fe-Ni和Co马氏体相变的影响及其机理研究

纳米多层膜由于具有独特的物理和力学性能成为近年来的研究热点，但利用纳米多层膜的界面应力研究纳米材料的马氏体相变却未有报道。本申请项目利用纳米多层膜的共格外延生长结构，通过向Fe-Ni和Co薄膜内部引入晶格常数较大的钇(Y)和晶格常数较小的钒(V)插入层，分别在Fe-Ni和Co纳米层中分别产生界面拉应力和压应力，研究不同界面应力下Fe-Ni和Co的马氏体相变行为；在试验基础上进行机理分析，对纳米多层膜的界面拉、压应力进行计算，建立包含应力项的Fe-Ni和Co马氏体相变热力学表达式，从热力学角度上解释不同界面应力下的马氏体相变行为。本项目以一种新颖的应力引入方式在Fe-Ni和Co中产生界面应力，对不同界面应力下Fe-Ni和Co马氏体相变的行为和机理进行研究，开拓了一个全新的相变研究领域-界面应力下二维纳米材料的马氏体相变，本课题的立项将更加丰富材料相变的实验和理论内容，具有重要的科学意义。

本项目研究了纳米多层膜中界面应力对薄膜马氏体相变的影响及其机理。研究结果表明：(1) 在插入Y和V调制层后，当Y、V层厚度分别小于2nm和1.5nm时，可与FeNi层保持共格外延生长；由于Y和V层的晶格常数分别大于和小于FeNi层，使FeNi薄膜在纳米多层膜内分别承受界面拉应力和压应力，并对应力的效果进行了计算；承受界面应力的Fe-Ni纳米薄膜的马氏体相变行为与无界面应力时不同，FeNi纳米薄膜在界面压应力下能诱发马氏体相变，使FeNi薄膜的FCC结构转化为BCC结构，当界面压应力消失时FeNi薄膜马氏体相变停止，FeNi薄膜重新转变为FCC结构。(2) 对Fe-Ni的马氏体相变进行热力学解释，根据纳米多层膜的交变应力场理论，插入1.5nm 的V层后，在共格外延生长结构下，FeNi薄膜所承受的界面压应力约为1.20 GPa -1.99 GPa，可使FeNi薄膜的马氏体相变开始温度(Ms)相对于未施加应力增加84℃-139.3℃，有效的促进了FeNi马氏体相变的进行，表明界面压应力可作为Fe-Ni纳米薄膜马氏体相变的驱动力诱发马氏体相变。(3) 随Y、V调制层厚度的增加，对FeNi/V和FeNi/Y纳米多层膜的微结构演变进行了研究。当Y、V层厚度分别小于2nm和1.5nm时，Y、V层在FeNi层的作用下转变为FCC结构；随着Y、V层厚度增加到3nm和2nm时，Y、V层转变为过渡的非晶结构；随着Y、V调制层厚度的进一步增加，Y、V层分别转变为稳态的HCP和BCC结构。因此，随着Y、V调制层厚度的增加，其在纳米多层膜中的微结构演变序列为“模板层结构→非晶→稳态调质层结构”，并非现有的晶体/晶体系纳米多层膜文献中报导的“模板层结构→稳态调质层结构”。(4) 从事了CrAlN/SiC、CrAlN/ZrO2、CrAlN/SiNx、CrN/TiSiN、TiSiN/TiN等纳米多层膜的微观结构和超硬效应研究，主要包括在共格界面产生的交变界面应力作用下，纳米多层膜的结构相变及其对薄膜硬度等力学性能的影响。结果表明，当调制层厚度小于某一临界值时，调制层与模板层之间形成共格界面，纳米多层膜呈现超硬效应；随着调制层厚度的进一步增加，共格界面和超硬效应消失。通过结构优化，CrAlN/ZrO2和TiSiN/TiN系纳米多层膜获得接近50GPa的超高硬度。