Многофункциональные наноструктурные пленки - 15 Июля 2010 - Сайт о научно-технической информации

Рис. 2. Модель сверхтвердой наноструктурной пленки

Модель сверхтвердой пленки показана на рис. 2. Суть модели состоит в том, что свободные от дислокаций нанокристаллы твердых фаз размером 3-10 нм окружены тонкой прослойкой аморфной фазы размером 1-2 нм. При этом предполагается, что поскольку в нанокристаллах и аморфной фазе отсутствует дислокационная активность, то такие пленки должны обладать высокими значениями сопротивления пластической деформации и упругого восстановления. Считается, что источники размножения дислокаций не могут существовать в нанокристаллитах размером менее 3 нм.

Рис. 3. Краевая дислокация внутри кристаллита (большой круг)
размером 5 нм и дислокации несоответствия на границе раздела кристаллитов (малые круги) в пленке Ti-Si-B-N

При изучении структуры различных нс- пленок, например, в системе Ti-B-N с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения отмечалось существование краевых дислокаций в кристаллитах размером 5-15 нм. На рис. 3 показана (красным кругом) краевая дислокация внутри кристаллита размером 5 нм. Также следует отметить, что даже в сверхтвердых наноструктурных пленках на границах раздела часто встречаются дислокации несоответствия (рис. 3), приводящие к появлению дальнодействующих полей упругих напряжений. Наличие дислокаций на границах раздела зерен свидетельствует о деформации по механизму межзеренного проскальзывания.

Появление аморфной фазы, как правило, приводит к трансформации колонной структуры пленки, представляющей собой совокупность взаимосвязанных колонн, в композитную наноструктурную пленку, в которой нанокристаллы одной или нескольких фаз окружены тонкими аморфными прослойками. Такая композитная нс- пленка соответствует описанной выше модели сверхтвердой наноструктурной пленки. Контролируемое введение "аморфизаторов”, например бора или кремния, позволяет управлять структурой и свойствами наноструктурных пленок. Так, максимальные значения твердости в пленках Me-Si-N были получены в композитных наноструктурных пленках MeN-a-Si₃N₄при содержании кремния в интервале 7-10 ат. %. При этом размер кристаллитов d_c, соответствующий максимуму твердости, для большинства составов наноструктурных пленок близок к 10 нм. Данный максимум обусловлен тем, что вблизи этого значения твердости происходит непрерывный переход от макроскопических процессов зарождения и движения дислокаций при d > d_c, описываемых законом Холла-Петча (Н~d^-1/2), к межкристаллитным процессам локального проскальзывания по границам зерен и фаз при d < d_c.

Вместе с тем, твердость наноструктурных пленок с размером кристаллитов менее 10 нм может варьироваться в достаточно широких пределах.

Хотя причины сверхвысокой твердости отдельных композиций до конца не поняты, можно перечислить основные факторы, способствующие росту твердости:

- высокие сжимающие напряжения вследствие разности коэффициентов термического расширения пленки и подложки;

- искажение решетки кристаллических фаз вследствие слабой взаимной растворимости элементов и фаз;

- высокие внутренние напряжения (или напряжения роста)

- наличие прочной химической связи между различными фазовыми составляющими.

Помимо твердости, механические свойства наноструктурных покрытий характеризуются эффективным модулем упругости Е^*²) (где ν – коэффициент Пуассона) и величиной упругого восстановления W_e. Численные значения этих характеристик могут быть измерены с помощью нанотвердомера, после чего рассчитываются параметры H/E и H³/E². Зависимости Н= f(E^*), H³/E^*2= f(H) и W_e= f(H) являются основными соотношениями между механическими свойствами пленок. При этом для целого ряда оксидных, карбидных, нитридных и композиционных наноструктурных пленок зависимость Н=f(E^*) может быть аппроксимирована прямой линией: H (ГПа)=0.15ґЕ^*(ГПа)–12, а зависимость H³/E²=f(H) - параболой H³/E²=4.3ґ10^-4Н². Данные уравнения полезны для предсказания механического поведения покрытий. =Е/(1- ν

<< первая < пред. 1 2 3 след. > последняя >>