Ti/TiB2多层膜的制备及其断裂韧性研究

摘要

TiB2薄膜具有耐磨损、耐高温氧化及耐腐蚀等特点，但脆性大、与基体结合性能较差等缺点限制了其广泛应用。本文根据贝壳珍珠层的结构特点，以金属层Ti为软质层，对TiB2薄膜进行仿生增韧处理，通过X射线衍射和扫描电镜分析了薄膜的相结构和表面（断面）形貌，采用纳米压痕仪测定了多层膜的硬度和弹性模量，并通过维氏压痕法研究Ti/TiB2多层膜的断裂韧性。研究结果表明:
　　利用磁控溅射法制备的Ti/TiB2纳米结构多层膜，具有明显的层状周期结构，各子层间的界面清晰，薄膜表面光滑、平整，结构致密。但Ti子层的周期性引入，使得TiB2在(001)方向出现了明显的择优取向。
　　Ti/TiB2多层膜的调制结构对薄膜的硬度和弹性模量影响较大，随着调制比和调制周期的增大，薄膜的硬度逐渐提高。多层膜在Si基底和TC4合金基体上呈现出两种不同的断裂方式:沉积在Si基体上的多层膜发生断裂时主要以径向裂纹的扩展为主;而在沉积在TC4基体上的多层膜主要通过环形裂纹和径向裂纹进行能量释放。
　　随着调制比的增大，沉积在两种不同基体上的多层膜其断裂韧性均呈先增大后减小的趋势，但沉积在TC4基体上薄膜的断裂韧度明显高于沉积在Si基体上薄膜。当调制比为1∶5时，薄膜的断裂韧度达到最大(KIC=2.40 MPa·m1/2)。调制周期对多层膜的断裂韧性的影响和调制比相似，也表现出先增大后减小的趋势。当调制周期T=6时多层膜表现出最佳的断裂韧性，断裂韧度为2.46MPa·m1/2。分析认为多层膜中Ti子层的周期性引入，有效缓解了TiB2薄膜的内应力;当裂纹扩展至Ti子层时，Ti可对裂纹尖端起到很好的钝化作用;此外，多层膜的界面增多，增大了裂纹扩展的阻力，提高了多层膜的断裂韧性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．2 TiB2薄膜的研究

1．2．1 TiB2薄膜的结构特点

1．2．2 TiB2的性能特点

1．3 纳米多层膜的研究

1．3．1 金属／金属多层膜体系

1．3．2 金属／陶瓷多层膜体系

1．3．3 陶瓷／陶瓷多层膜体系

1．4 贝壳珍珠层仿生应用

1．4．1 珍珠层的微结构

1．4．2 珍珠层的增韧原理

1．4．3 珍珠层的研究进展

1．5 薄膜韧性的表征方法

1．5．1 弯曲法

1．5．2 鼓胀法

1．5．3 划擦法

1．5．4 压痕法

1．6 本课题的研究意义

1．7 本课题的研究内容及技术路线

第二章 实验设备及制备方法

2．1 薄膜的制备

2．1．1 磁控溅射仪

2．1．2 实验材料

2．1．3 试样的前期处理

2．1．4 薄膜制备的工艺流程

2．2 薄膜的表征方法

2．2．1 薄膜沉积速率的测试

2．2．2 相结构分析

2．2．3 表面形貌分析

2．2．4 薄膜硬度和弹性模量的表征

2．2．5 薄膜断裂韧性的表征

第三章 Ti／TiB2多层膜的制备及其结构表征

3．1 Ti薄膜的制备及结构表征

3．1．1 Ti薄膜的制备

3．1．2 Ti薄膜的结构表征

3．2 TiB2薄膜的制备及结构表征

3．2．1 TiB2薄膜的制备

3．2．2 TiB2薄膜的结构表征

3．3 Ti／TiB2薄膜制备及结构表征

3．3．1 不同调制比Ti／TiB2多层膜的制备及表征

3．3．2 不同周期数Ti／TiB2多层膜的制备及表征

3．4 本章小结

第四章 Ti／TiB2多层膜的断裂韧性

4．1 TiB2单层膜的断裂韧性

4．1．2 Si基片上TiB2单层膜的断裂韧性表征及分析

4．1．1 TC4基体上TiB2单层膜的断裂韧性表征及分析

4．2 Ti／TiB2多层膜断裂韧性

4．2．1 Si基底上Ti／TiB2多层膜断裂韧性的表征与分析

4．2．2 TC4基体上Ti／TiB2多层膜断裂韧性的表征与分析

4．2．3 Ti／TiB2多层膜增韧机制的分析

4．3 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文