目  录

第一章 绪论 1

1.1 硬质多层膜的研究背景 1

1.2 硬质多层膜的结构及特性 2

1.3 多层膜的致硬机理 3

1.3.1 Hall-petch强化理论 3

1.3.2 交变应力场理论 5

1.3.3 模量差理论 5

1.3.4 近第一原理计算 7

1.4 多层膜的制备方法 9

1.5 本文的选题意义和研究内容 10

第二章 实验方法 12

2.1 薄膜的制备 12

2.1.1 衬底的预处理 12

2.1.2 样品的制备 12

2.2 硬质多层膜的表征方法 13

2.2.1 厚度表征 13

2.2.2 成分表征 14

2.2.3 结构表征 15

2.2.4 硬度测试 15

第三章 实验和结果分析 17

3.1 靶材溅射功率对氧化锆薄膜成分的影响 17

3.2 靶材功率对氧化锆薄膜相结构的影响 18

3.3 氧气和氩气比例对氧化锆薄膜成分的影响 19

3.4 氧气和氩气比例对氧化锆薄膜相结构的影响 20

3.5 氧气和氩气比例对氧化铝薄膜成分的影响 20

3.6 氧气和氩气比例对氧化铝薄膜相结构的影响 21

3.7 单层膜和多层膜相结构的对比 22

3.8 薄膜厚度测试 23

3.9 硬度测试 24

结   论 26

致 谢 27

参 考 文 献 28

第一章 绪论

1.1 硬质多层膜的研究背景

随着我国工业的发展，新型设备的制造对于耐腐蚀性和耐高温性、耐磨性都有了更高的要求，尤其是生产制造中的设备刀具，对于材料的综合机械性能更加严苛。在材料表面镀上硬质涂层可以显著降低严苛工作条件下构件的化学腐蚀、机械耐磨和高温氧化倾向。对于覆盖在某种衬底表面之上的覆盖层即涂层[1]，英文中就存在两种写法，分别是coating和film。而它们是根据厚度来决定，当厚度＞1μm，称为coating，就是我们指的涂层；当厚度＜1μm，称为film，是我们指的膜。

目前刀具切割过程中会产生高温，而在高温情况下的抗氧化性往往决定了刀具的使用寿命和实用性，通过合理的工艺应用合适的硬质涂层可以给刀具带来良好的高温抗氧化性。目前常用的涂层，如TiN、TiCN等，其高温氧化温度不超过600℃，即使是高温抗氧化性能很好的TiA1N涂层，其最高切削温度也只能达到800℃，而在进行高速切削时，刀具的前端温度往往会上升高达1000℃以上。现代化工业的发展要求我们必须提高刀具的机械性能。

多层结构往往有很强的层间耦合效应、界面效应等，所以会显示出和单质涂层不一样的特性。Koehler[2]在上个世纪70年代初提出过一个得到高强固体的模型，他就是利用两种材料形成的周期结构来实现，这两种材料的弹性模量都相当的大，其中的原理依据就是因为多层结构涂层会对位错的产生和运动起阻碍作用，并且多层结构确实可以改善韧性，并且提高材料的抗开裂性和耐腐蚀性，同时还具备细化晶粒等优点。

国外学者关于金属氧化物组成的多层涂层进行了一些相关研究。2004年，美国学者Aita等人[5]研究了当氧化物与金属氧化物组成多层纳米薄膜时ZrO2的生长情况。通过反应射频磁控溅射制备了ZrO2/Al2O3，ZrO2/Y2O3和ZrO2/TiO2纳米多层膜。研究发现：随着各层的厚度减小，界面在确定纳米层压材料的总体性质中起到越来越重要的作用。这些纳米层具有不同的热力学驱动力，用于界面阳离子混合和界面原子配准（异质外延或假同晶）。单位体积的ZrO2和Al2O3在室温下具有非常有限的相互固体溶解度，不形成化合物，并且没有常见的晶格结构，这表明在ZrO2-Al2O3纳米层压体界面处，没有驱动力用于阳离子混合或原子配准。另一方面，大块ZrO2和Y2O3形成具有立方晶格的广泛固溶体。发现在ZrO2-Y2O3纳米层压体界面处的共同结构中，存在用于化学混合和结晶的驱动力。