摘要:采用射频磁控溅射方法制备单层TaN，VN薄膜和不同调制周期的TaN/VN纳米结构多层膜。使用高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和纳米压痕仪对薄膜进行表征。结果表明，二元TaN和VN单层薄膜均为面心立方与密排六方结构的混合结构。面心TaN与VN层多层膜在调制周期0.7nm时混合生长，薄膜硬度大幅度提高。随着调制周期的增加，TaN与VN在调制周期为6nm时发生外延生长，并观察到了失配位错。在调制周期到达24nm时，TaN与VN在单层内各自生长。多层膜的超硬效应随着调制周期的升高而消失，硬度显著降低。研究了TaN/VN纳米多层膜力学性能变化的机理。

关键词：调制周期，TaN/VN多层膜，微观结构，力学性能

Abstract：Single layer TaN, VN thin films and TaN/VN nanomultilayers with different modulation periods were prepared by RF magnetron sputtering method. The films were characterized by high resolution transmission electron microscopy (HRTEM),  X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and nanoindentation. The results show that the binary TaN and VN monolayer films are mixed structures of face - centered cubic and packed hexagonal structure. The TaN and VN multilayer films were mixed and grown at a modulation period of 0.7 nm, and the hardness of the film was greatly improved. With the increase of the modulation period, TaN and VN were epitaxially grown at the modulation period of 6 nm, and mismatch dislocation was observed. When the modulation period reaches 24 nm, TaN and VN grow in the monolayer. The superhardness of multilayers disappears as the modulation period increases and the hardness decreases significantly. The mechanism of the mechanical properties of TaN / VN nanometer multilayers was studied.

Key words: Modulation period，TaN/VN multilayer，microstructure，mechanical properties

目录

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2纳米多层膜的研究进展 2

1.2.1纳米多层膜 2

1.2.2纳米多层膜的分类 2

1.3纳米多层膜的制备方法 4

1.3.1物理气相沉积(PVD)法 4

1.3.2化学气相沉积(CVD)法 5

1.3.3非气相沉积法 6

1.4纳米多层膜的致硬机理 7

1.4.1模量差异致硬理论 7

1.4.2Hall-petch强化理论 8

1.4.3协调应变理论 8

1.5选题意义及研究内容 8

1.5.1选题意义 8

1.5.2研究内容 9

第二章 薄膜的制备与表征 10

2.1引言 10

2.2薄膜的制备原理和试验设备 10

2.2.1磁控溅射原理 10

2.2.2镀膜设备 12

2.3薄膜的检测方法和检测设备 13

2.3.1X射线衍射(XRD) 13

2.3.2能量色散谱仪(EDS) 13

2.3.3纳米力学系统 14

2.3.4场发射透射电子显微镜(TEM) 15

2.3.5扫描电子显微镜(SEM) 15

2.4工序流程和试验研究方案 16

第三章 TaN/VN多层膜的微观结构和力学性能 17

3.1引言 17

3.2实验材料及方法 17

3.2.1薄膜的制备 17

3.2.2薄膜的表征 18

3.3TaN/VN纳米结构多层膜的微观结构研究 18

3.4TaN/VN纳米结构多层膜的力学性能研究 24

第四章 展望 28

结论 27

致谢 30

参考文献 31

第一章 绪论

1.1引言

随着当代制造业的进步，材料的加工变得愈发困难。金属切削工艺，高速切削、微润滑切削与干切削工艺的产生和发展的过程中都对相应刀具提出了更加严苛的标准。硬质薄膜能够减轻刀具的摩擦磨损，同步提高硬度、韧性、高温稳定性等一系列性能，使用涂层的刀具寿命因此得到大量的提高，它最大限度的满足了当代切削加工行业对金属切削工具的苛刻要求，很大程度上提升了刀具的材料与性能，在金属切削刀具技术发展史上被认为是一场伟大的[1]。因此，涂层技术、刀具材料和切削加工工艺一起并称为切削刀具制造领域的三大关键技术[2]。