Luận án tiến sĩ nghiên cứu vi cấu trúc và cơ tính của các vật liệu phủ ngoài

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ TRANG NGHIÊN CỨU VI CẤU TRÚC VÀ CƠ TÍNH CỦA CÁC VẬT LIỆU PHỦ NGOÀI LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ TRANG NGHIÊN CỨU VI CẤU TRÚC VÀ CƠ TÍNH CỦA CÁC VẬT LIỆU PHỦ NGOÀI Chuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT Mã số: 62520401 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PHẠM KHẮC HÙNG HÀ NỘI - 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Tất cả các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Trang LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.

Lê Văn Vinh và PGS. Phạm Khắc Hùng, những người Thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện làm việc của Bộ môn Vật lý tin học, Viện Vật lý kỹ thuật, Viện Đào tạo sau đại học Trường Đại học Bách khoa Hà Nội dành cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu, thực hiện luận án. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, người thân, đồng nghiệp đã dành những tình cảm, động viên giúp đỡ tôi vượt qua những khó khăn để hoàn thành luận án.

Hà Nội, ngày 26 tháng 02 năm 2016 Nguyễn Thị Trang MỤC LỤC Danh mục các từ viết tắt và ký hiệu. 1 Danh mục các bảng biểu. 2 Danh mục các hình vẽ và đồ thị .Vật liệu phủ ngoài cứng và siêu cứng. Vật liệu phủ ngoài nanocomposite.

Vật liệu phủ ngoài đa lớp đồng cấu trúc và dị cấu trúc. Một số cơ chế tăng cường độ cứng của lớp phủ đa lớp. Vật liệu Si3N4, AlSiN và CrN/AlBN/CrN. Hệ CrN/AlBN/CrN.

PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU PHỦ NGOÀI 2. Phương pháp ĐLHPT và phương pháp HPT. Phương pháp ĐLHPT. Phương pháp HPT.

Các phương pháp phân tích vi cấu trúc của mô hình. Hàm phân bố xuyên tâm. Số phối trí và độ dài liên kết. Phân bố góc liên kết.

Phân bố quả cầu lỗ hổng. Phân bố simplex. Phương pháp phân tích lân cận chung (CNA). Phương pháp mô phỏng biến dạng.

Mô-đun đàn hồi. Biến dạng theo một trục. Phương pháp chế tạo vật liệu phủ ngoài bằng hồ quang chân không plasma. Sự hình thành plasma của hồ quang catốt.

Các thành phần của hồ quang chân không catốt. Quá trình lắng đọng vật liệu phủ ngoài. Một số phương pháp phân tích vật liệu phủ ngoài. Nhiễu xạ tia X.

Kính hiển vi điện tử quét và kính hiển vi quang học. Kính hiển vi điện tử truyền qua. Kỹ thuật phân tích vi mô bằng thiết bị quét đầu dò điện tử. Phổ quang điện tử tia X.

Thí nghiệm đo độ cứng. Thí nghiệm đo ứng suất. VẬT LIỆU PHỦ NGOÀI CrN/AlSiN VÀ CrN/AlBN 3. Vật liệu phủ ngoài CrN/AlSiN.

Chế tạo vật liệu phủ ngoài CrN/AlSiN. Cấu trúc và cơ tính của vật liệu phủ ngoài CrN/AlSiN. Vật liệu phủ ngoài CrN/AlBN. Chế tạo vật liệu phủ ngoài CrN/AlBN.

Cấu trúc và cơ tính của vật liệu phủ ngoài CrN/AlBN. HỆ AlSiN, CrN/AlBN/CrN VÀ Si3N4 VÔ ĐỊNH HÌNH 4. Ảnh hưởng của nồng độ Si lên cấu trúc vi mô và cơ tính của hệ Al1-xSixN. Ảnh hưởng của quá trình nguội nhanh lên cấu trúc và cơ tính của hệ Al1-xSixN.

Hệ CrN/AlBN/CrN. Xây dựng các mẫu CrN/AlBN/CrN. Cấu trúc vi mô của AlBN vô định hình. Cơ tính của hệ CrN/AlBN/CrN.

Hệ Si3N4 vô định hình. Xây dựng các mẫu mô phỏng Si3N4. Cấu trúc vi mô của Si3N4 VĐH. Tương quan giữa phân bố góc liên kết và tỉ phần của các đơn vị cấu trúc trong các mẫu Si3N4.

Cơ tính của vật liệu Si3N4 VĐH. 111 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 112 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN. 121 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ĐLHPT Động lực học phân tử HPT Hồi phục tĩnh VĐH, vđh- Vô định hình tt- Tinh thể PBXT Phân bố xuyên tâm SPTTB Số phối trí trung bình CNA Phân tích lân cận chung PBGLK Phân bố góc liên kết PBBKLH Phân bố bán kính lỗ hổng LH Lỗ hổng XRD Nhiễu xạ tia X XPS Phổ quang điện tử tia X SEM Kính hiển vi điện tử quét TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua HRTEM Kính hiển vi điện tử truyền qua có độ phân giải cao EPMA Phân tích vi mô bằng thiết bị quét đầu dò điện tử SAED Nhiễu xạ điện tử lựa chọn vùng SIMS Khối phổ ion thứ cấp fcc Lập phương tâm mặt h- Lục giác 1 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 3.1 Thành phần, chu kỳ hai lớp (Λ), tỉ lệ độ dày (l2/Λ), kích thước 51 hạt trong các lớp phủ đa lớp CrN/AlSiN.2 Độ cứng, mô-đun đàn hồi, ứng suất của các lớp phủ đa lớp 53 CrN/AlSiN.3 Thành phần, kích thước hạt, độ cứng, mô-đun I-âng, ứng suất 57 của vật liệu phủ ngoài CrAlBN được lắng đọng ở các áp suất PN khác nhau và nhiệt độ Ts=300 °C Bảng 3.4 Kích thước hạt, mô-đun I-âng, ứng suất của vật liệu phủ ngoài 63 CrAlBN ở các nhiệt độ TS khác nhau và áp suất PN=1,33 Pa.1 Các đặc trưng cấu trúc và mô-đun đàn hồi Iâng của Al1-xSixN 69 VĐH: rα,β - vị trí của đỉnh đầu tiên của hàm PBXT gα,β(r); Zα,β - số phối trí trung bình; Six, Aly - tỉ phần các đơn vị cấu trúc SiNx và AlNy; E- mô-đun đàn hồi I-âng.2 Các đặc trưng cấu trúc và mô-đun đàn hồi Iâng của Al1-xSixN ở 75 300 K: rα,β - vị trí của đỉnh đầu tiên của hàm PBXT gα,β(r); Zα,β - số phối trí trung bình; Six, Aly - tỉ phần các đơn vị cấu trúc SiNx và AlNy; E- mô-đun đàn hồi I-âng.3 Các đặc trưng cấu trúc và mô-đun đàn hồi Iâng của Al1-xSixN ở 80 700 K: rα,β - vị trí của đỉnh đầu tiên của hàm PBXT gα,β(r); Zα,β - số phối trí trung bình; Six, Aly - tỉ phần các đơn vị cấu trúc SiNx và AlNy; E- mô-đun đàn hồi I-âng.4 Các đặc trưng cấu trúc và mô-đun đàn hồi Iâng của Al1-xSixN ở 81 900 K: rα,β - vị trí của đỉnh đầu tiên của hàm PBXT gα,β(r); Zα,β - số phối trí trung bình; Six, Aly - tỉ phần các đơn vị cấu trúc SiNx và AlNy; E- mô-đun đàn hồi I-âng.5 Các hệ số thế tương tác giữa các nguyên tử Cr, Al, B và N.6 Đặc tính cơ học của các hệ CrN/AlBN/CrN với lớp AlBN có cấu 86 trúc khác nhau: d-kích thước của tinh thể h-AlBN; E- mô-đun đàn hồi I-âng.7 Các đặc trưng cấu trúc cơ bản của Si3N4 VĐH có mật độ khác 91 2 nhau: rα-β - độ dài liên kết giữa nguyên tử α-β; Zα-β- SPT trung bình.8 Các đặc trưng cấu trúc cơ bản của Si3N4 VĐH tại các nhiệt độ 92 khác nhau: rα-β - độ dài liên kết giữa nguyên tử α-β; Zα-β- SPT trung bình.9 Tỉ phần các đơn vị cấu trúc SiNx (Six), các liên kết NSiy (Ny) và 93 đỉnh chính của PBGLK <θN-Si-N>, <θSi-N-Si> của Si3N4 VĐH có mật độ khác nhau, tại nhiệt độ 300K.10 Tỉ phần các đơn vị cấu trúc SiNx (Six), các liên kết NSiy (Ny) và 94 đỉnh chính của PBGLK <θN-Si-N>, <θSi-N-Si> của Si3N4 VĐH tại các nhiệt độ 300, 500, 700, 900 K, với mật độ ρ= 2,40 g.11 Tỉ phần các đơn vị cấu trúc SiNx (Six), các liên kết NSiy (Ny) và 94 đỉnh chính của PBGLK <θN-Si-N>, <θSi-N-Si> của Si3N4 VĐH tại các nhiệt độ 300, 500, 700, 900 K, với mật độ ρ= 2,80 g.12 Tỉ phần các đơn vị cấu trúc SiNx (Six), các liên kết NSiy (Ny) và 94 đỉnh chính của PBGLK <θN-Si-N>, <θSi-N-Si> của Si3N4 VĐH tại các nhiệt độ 300, 500, 700, 900 K, với mật độ ρ= 3,10 g.13 Tỉ lệ Vvoid/V trong các mẫu Si3N4 VĐH có mật độ khác nhau tại 102 các nhiệt độ 300, 500, 700, 900 K.14 Các đặc tính cơ học của các mẫu Si3N4 VĐH có mật độ khác 107 nhau tại nhiệt độ 300K: E-Mô-đun đàn hồi I âng; σy - ứng suất chảy; σf - ứng suất chảy dẻo.15 Mô-đun đàn hồi Iâng của các mẫu Si3N4 VĐH có mật độ khác 109 nhau tại các nhiệt độ 300, 500, 700, 900 K.

3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Trang Hình 2.1 Minh hoạ điều kiện biên tuần hoàn.2 Mô hình tính toán gần đúng Ewald Summation trong không gian hai 29 chiều, mạng tuần hoàn 3x3 được dựng lên từ ô cơ sở có tâm n(0,0).3 Quả cầu lỗ hổng và sự sắp xếp của chúng; a) LH và các nguyên tử lân 34 cận; b) LH nhỏ nằm trong LH lớn (trái) và hai LH gần nhau (phải), những LH này được loại bỏ khỏi hệ; c) đám LH; d) Ống LH.4 Đường cong ứng suất-biến dạng (Stress-Strain) của SiC vô định hình 40 ở 300 K Hình 2.5 Sơ đồ đơn giản của hệ hồ quang chân không catốt 42 Hình 2.6 Sơ đồ hệ thống lắng đọng hồ quang plasma (1-Bia, 2-Đế, 3-Tác nhân, 43 4-Lò đốt, 5-Bộ phận tạo chân không, 6-Lá chắn, 7-Bơm Turbo, 8- Bơm quay) Hình 3.1 Phổ nhiễu xạ XRD của lớp phủ đa lớp CrN/AlSiN được lắng đọng 50 trên đế với ca-tốt là hợp kim có nồng độ Si thay đổi.2 Ảnh TEM và ảnh SAED của các lớp phủ đa lớp CrN/AlSiN: a) S1, b) 52 S2, c) S3 và d) S4.3 Ảnh HR-TEM của các lớp phủ đa lớp CrN/AlSiN: a) S1 và b) S3.4 Các đường cong chịu tải-khử tải đặc trưng của các lớp phủ đa lớp 54 CrN/AlSiN đo bằng phép đo nano-indentation Hình 3.5 Hệ số ma sát (COF) và tốc độ mài mòn các lớp phủ đa lớp 54 Hình 3. Phổ nhiễu xạ XRD của vật liệu phủ ngoài CrAlBN được lắng 56 đọng ở nhiệt độ đế TS=300 °C và áp suất PN khác nhau; (b). Chi tiết các đỉnh nhiễu xạ của CrAlBN.7 Ảnh HR-TEM và SAED của vật liệu phủ ngoài CrAlBN được lắng 58 đọng ở nhiệt độ đế TS=300 °C và áp suất PN thay đổi: (a) 1,33 Pa; (b) 4 Pa [119]; (c) 6,67 Pa và (d) 9,33 Pa.8 (a) Nồng độ nguyên tử; (b) Phổ XP của đỉnh N1s; (c) Dữ liệu TOF- 59 SIMS của Cr, Al, B bên trong vật liệu phủ ngoài được lắng đọng ở PN =1,33 Pa và TS =300 °C.9 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ cứng và mô-đun I-âng của vật 60 4 liệu phủ ngoài CrAlBN được lắng đọng ở nhiệt độ TS=300 °C và áp suất PN khác nhau vào độ dịch chuyển .