纳米复合硬质涂层中非晶组织的控制与致韧机理研究

本文通过磁控溅射方法，制备了非晶SiNx、非晶C、TiN、TiCN、TiAlN、TiAlCN、 CrSiN和TiSiN系列涂层，研究了各工艺参数（功率、偏压、氮流量和时间等）和沉积手段（多层沉积工艺、共沉积工艺）对上述涂层成分和结构的影响，通过XRD、SEM、TEM、XPS、显微硬度计、纳米压痕仪等手段对薄膜微观结构、力学性能（硬度、弹性模量、韧性、摩擦系数）进行了表征。同时利用计算机模拟技术对薄膜在纳米压痕条件下的形变过程进行了模拟。 试验结果表明：（1）利用功率、偏压、氮流量和时间等工艺参数可以对薄膜结构（厚度、晶体取向和各相分布）进行有效调控。（2）压应力是薄膜增韧的重要影响因素，单相薄膜厚度同韧性有一定相关性。具有非晶碳相的纳米复合TiCN薄膜以及TiAlCN薄膜具有良好的韧性。TiAlCN薄膜还呈现大于40GPa的超硬性能。（3）计算机模拟表明纳米压痕条件下层状、柱状和三维复合TiN/SiN涂层的最大应力区域可以被第二相分割碎化，甚至降低，这有利于抑制裂纹扩展，从而提高薄膜韧性。相对TiN相，非晶SiNx加载条件下承受更大的应力，更易开裂诱发失效。因此减小非晶尺寸有利于抑制非晶相裂纹灾难性扩展，达到薄膜增韧效果.

高硬度与韧性难以兼得是高硬度、超高硬度涂层长期面临的瓶颈问题。现有研究表明构造纳米晶/非晶复合硬质涂层可成为解决这一问题的有效途径。但此类涂层致韧机理尚不明确，且相关研究大多集中在纳米晶、纳米晶与非晶晶界中，导致涂层中非晶的选择、设计和控制具有一定的盲目性。基于此，本项目从非晶的新角度出发，以复合不同类型、不同尺寸非晶的TiN系硬质涂层为研究对象，以涂层中非晶的形变机制为切入点，以原位微区观察和实时原位微区观察为主要研究手段，明晰非晶种类和尺寸等因素对涂层韧性的影响，结合分子动力学计算，探索非晶在纳米复合硬质涂层中的致韧机理，并在此基础上提出纳米复合硬质涂层性能（硬度和韧性）优化综合策略。这不仅对推进我国高硬高韧涂层的发展具有重大现实意义，且将促进材料学和理论数值模拟的相互交叉渗透发展，丰富相关研究邻域的基础理论，具有重大学术价值。

本项目以氧化锆增韧氧化铝陶瓷（ZTA）为研究对象，采用实验、理论分析和数值模拟相结合的方法研究了增韧陶瓷的破坏特性、本构模型、增韧机理、声发射特性和增韧陶瓷的抗侵彻特性。主要研究工作和成果如下： 1）对热压烧结法制备的三种陶瓷99.5% Al2O3（AD995）、15% ZrO2/Al2O3和25% ZrO2/Al2O3的力学性能和增韧机制进行了实验和理论研究。结果表明，ZrO2的加入细化了基体Al2O3晶粒，ZrO2/Al2O3陶瓷的致密性得到提高。三种陶瓷试件的破坏呈现小变形到脆性破坏的特点，压缩加载下应力-应变曲线近似为线性关系。AD995陶瓷的断裂韧性为5.65MPa•m1/2，25% ZrO2/Al2O3陶瓷的断裂韧性为8.42MPa•m1/2，提高了近50%。基于复合材料细观力学理论并考虑ZrO2的相变特性，建立了描述ZrO2/Al2O3陶瓷力学性能的本构模型。模型预测结果显示，随ZrO2增韧相含量的增加，ZrO2/Al2O3陶瓷的杨氏模量降低而断裂韧性增加，这一变化趋势与实验结果有良好的一致性。 2）采用改进的SHPB实验装置对ZTA陶瓷的动力学响应和破坏特性进行了研究。获得了ZTA陶瓷在较高应变率范围内的动态应力应变曲线；结果显示，ZTA陶瓷动力学特性有明显的应变率效应，动态抗压强度随应变率增加而提高，同时应力应变曲线呈现明显的非线性特征；单轴加载下，随着应变率的提高，ZTA陶瓷的破坏呈现出了从劈裂破坏到散体破坏的状态。 3）利用先进的声发射系统研究了强脆性陶瓷材料压缩破坏的损伤变化过程，将采集到的声发射信号进行小波分解分析了声发射信号的频率特征。结果表明，加载初期，材料损伤主要由微裂纹成核为主导，产生大量低幅值(<40dB)信号；而加载后期的高幅值信号(>80 dB)主要由微裂纹扩展或汇合产生。脆性材料失稳破坏阶段信号能量特征值呈现出低频段P1急剧升高、高频段P2急剧下降的特点，即失稳破坏时产生低频信号。结合裂纹源的尺度与声发射信号频率成相反的关系，揭示了尺度较大的微裂纹扩展或汇合是导致材料失稳破坏的主要机制。 4）采用有限元程序数值模拟了长杆弹侵彻氧化铝陶瓷靶的破坏特性，结合实验结果确定了氧化铝陶瓷本构模型中的材料参数；建立聚能射流侵彻氧化铝陶瓷靶的计算模型，对射流的形成机理及氧化铝陶瓷靶的抗侵彻性能进行研究。

陶瓷基复合材料的研制与应用将是复合装甲材料的总趋势，开展增韧陶瓷材料的动力学响应、破坏特性、动态本构模型、失效特性的研究都是分析增韧陶瓷装甲抗侵彻性能的关键因素。研究内容有：（1）利用材料实验机、分离式霍普金森压杆和轻气炮实验装置对增韧陶瓷试件实施准静态、低、高应变率下的压缩实验，测量材料压缩强度、屈服强度等材料性能参数，得到材料在较宽应变率范围内完整的应力应变曲线，进一步分析增韧陶瓷材料的应变率效应、动力学响应和破坏特性。（2）利用声发射技术、扫描电镜等对实验后的试件进行测试，分析试件内部微观结构的破坏特征和增韧机制。（3）考虑应变率、损伤的影响，建立能准确描述增韧陶瓷材料的动力学行为的动态本构模型。（4）利用自行开发的多物质流体程序对增韧陶瓷材料抗侵彻问题进行数值模拟，来验证和完善理论模型；为提高增韧陶瓷材料的抗侵彻能力，为新型陶瓷装甲的设计提供理论依据和技术支撑。