Thư viện tri thức trực tuyến
Kho tài liệu với 50,000+ tài liệu học thuật
© 2023 Siêu thị PDF - Kho tài liệu học thuật hàng đầu Việt Nam
Nghiên cứu vi cấu trúc và cơ tính của các vật liệu phủ ngoài
Nội dung xem thử
Mô tả chi tiết
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. PGS.TS. LÊ VĂN VINH
2. PGS.TSKH. 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. TS. Lê Văn Vinh và PGS. TSKH.
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 ............................................................................... 4
MỞ ĐẦU ................................................................................................................................. 8
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1.Vật liệu phủ ngoài cứng và siêu cứng ................................................................ 12
1.1.1. Vật liệu phủ ngoài nanocomposite ........................................................ 13
1.1.2. Vật liệu phủ ngoài đa lớp đồng cấu trúc và dị cấu trúc .......................... 15
1.1.3. Một số cơ chế tăng cường độ cứng của lớp phủ đa lớp .......................... 16
1.2. Vật liệu Si3N4, AlSiN và CrN/AlBN/CrN ........................................................ 21
1.2.1. Hệ Si3N4 ............................................................................................... 21
1.2.2. Hệ AlSiN .............................................................................................. 23
1.2.3. Hệ CrN/AlBN/CrN ............................................................................... 25
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ
TẠO VẬT LIỆU PHỦ NGOÀI
2.1. Phương pháp ĐLHPT và phương pháp HPT. ................................................... 27
2.1.1. Phương pháp ĐLHPT ........................................................................... 27
2.1.2. Phương pháp HPT ................................................................................. 31
2.2. Các phương pháp phân tích vi cấu trúc của mô hình ........................................ 31
2.2.1. Hàm phân bố xuyên tâm ....................................................................... 31
2.2.2. Số phối trí và độ dài liên kết .................................................................. 33
2.2.3. Phân bố góc liên kết .............................................................................. 33
2.2.4. Phân bố quả cầu lỗ hổng ....................................................................... 33
2.2.5. Phân bố simplex .................................................................................... 36
2.2.6. Phương pháp phân tích lân cận chung (CNA)........................................ 37
2.3. Phương pháp mô phỏng biến dạng ................................................................... 38
2.3.1. Mô-đun đàn hồi. .................................................................................... 38
2.3.2. Biến dạng theo một trục ........................................................................ 39
2.4. Phương pháp chế tạo vật liệu phủ ngoài bằng hồ quang chân không plasma. ... 40
2.4.1. Sự hình thành plasma của hồ quang catốt .............................................. 40
2.4.2. Các thành phần của hồ quang chân không catốt .................................... 41
2.4.3. Quá trình lắng đọng vật liệu phủ ngoài .................................................. 43
2.5. Một số phương pháp phân tích vật liệu phủ ngoài.. .......................................... 44
2.5.1. Nhiễu xạ tia X. ...................................................................................... 44
2.5.2. Kính hiển vi điện tử quét và kính hiển vi quang học .............................. 45
2.5.3. Kính hiển vi điện tử truyền qua. ............................................................ 45
2.5.4. Kỹ thuật phân tích vi mô bằng thiết bị quét đầu dò điện tử .................... 46
2.5.5. Phổ quang điện tử tia X ......................................................................... 46
2.5.6. Thí nghiệm đo độ cứng ......................................................................... 47
2.5.7. Thí nghiệm đo ứng suất ......................................................................... 48
2.5.8. Thí nghiệm đo độ mòn .......................................................................... 48
CHƯƠNG 3. VẬT LIỆU PHỦ NGOÀI CrN/AlSiN VÀ CrN/AlBN
3.1. Vật liệu phủ ngoài CrN/AlSiN ......................................................................... 49
3.1.1. Chế tạo vật liệu phủ ngoài CrN/AlSiN. ................................................. 49
3.1.2. Cấu trúc và cơ tính của vật liệu phủ ngoài CrN/AlSiN .......................... 50
3.2. Vật liệu phủ ngoài CrN/AlBN .......................................................................... 55
3.2.1. Chế tạo vật liệu phủ ngoài CrN/AlBN. ................................................. 55
3.2.2. Cấu trúc và cơ tính của vật liệu phủ ngoài CrN/AlBN .......................... 55
CHƯƠNG 4. HỆ AlSiN, CrN/AlBN/CrN VÀ Si3N4 VÔ ĐỊNH HÌNH
4.1. Hệ AlSiN. ........................................................................................................ 66
4.1.1. Ảnh hưởng của nồng độ Si lên cấu trúc vi mô và cơ tính của hệ
Al1-xSixN ........................................................................................................ 66
4.1.2. Ảnh hưởng của quá trình nguội nhanh lên cấu trúc và cơ tính của
hệ Al1-xSixN ................................................................................................... 71
4.2. Hệ CrN/AlBN/CrN. ......................................................................................... 83
4.2.1. Xây dựng các mẫu CrN/AlBN/CrN ...................................................... 83
4.2.2. Cấu trúc vi mô của AlBN vô định hình ................................................. 86
4.2.3. Cơ tính của hệ CrN/AlBN/CrN ............................................................. 87
4.3. Hệ Si3N4 vô định hình ...................................................................................... 88
4.3.1. Xây dựng các mẫu mô phỏng Si3N4. ..................................................... 88
4.3.2. Cấu trúc vi mô của Si3N4 VĐH ............................................................. 89
4.3.3. Tương quan giữa phân bố góc liên kết và tỉ phần của các đơn vị cấu trúc
trong các mẫu Si3N4 .............................................................................................. 102
4.3.4. Cơ tính của vật liệu Si3N4 VĐH .......................................................... 106
KẾT LUẬN ..................................................................................................................... 111
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 112
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ........... 121
1
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
2
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Thành phần, chu kỳ hai lớp (Λ), tỉ lệ độ dày (l2/Λ), kích thước
hạt trong các lớp phủ đa lớp CrN/AlSiN.
Trang
51
Bảng 3.2 Độ cứng, mô-đun đàn hồi, ứng suất của các lớp phủ đa lớp
CrN/AlSiN.
53
Bảng 3.3 Thành phần, kích thước hạt, độ cứng, mô-đun I-âng, ứng suất
của vật liệu phủ ngoài CrAlBN được lắng đọng ở các áp suất PN
khác nhau và nhiệt độ Ts=300 °C
57
Bảng 3.4 Kích thước hạt, mô-đun I-âng, ứng suất của vật liệu phủ ngoài
CrAlBN ở các nhiệt độ TS khác nhau và áp suất PN=1,33 Pa.
63
Bảng 4.1 Các đặc trưng cấu trúc và mô-đun đàn hồi Iâng của Al1-xSixN
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.
69
Bảng 4.2 Các đặc trưng cấu trúc và mô-đun đàn hồi Iâng của Al1-xSixN ở
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.
75
Bảng 4.3 Các đặc trưng cấu trúc và mô-đun đàn hồi Iâng của Al1-xSixN ở
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.
80
Bảng 4.4 Các đặc trưng cấu trúc và mô-đun đàn hồi Iâng của Al1-xSixN ở
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.
81
Bảng 4.5 Các hệ số thế tương tác giữa các nguyên tử Cr, Al, B và N. 84
Bảng 4.6 Đặc tính cơ học của các hệ CrN/AlBN/CrN với lớp AlBN có cấu
trúc khác nhau: d-kích thước của tinh thể h-AlBN; E- mô-đun
đàn hồi I-âng.
86
Bảng 4.7 Các đặc trưng cấu trúc cơ bản của Si3N4 VĐH có mật độ khác 91
3
nhau: rα-β - độ dài liên kết giữa nguyên tử α-β; Zα-β- SPT trung
bình.
Bảng 4.8 Các đặc trưng cấu trúc cơ bản của Si3N4 VĐH tại các nhiệt độ
khác nhau: rα-β - độ dài liên kết giữa nguyên tử α-β; Zα-β- SPT
trung bình.
92
Bảng 4.9 Tỉ phần các đơn vị cấu trúc SiNx (Six), các liên kết NSiy (Ny) và
đỉnh chính của PBGLK <θN-Si-N>, <θSi-N-Si> của Si3N4 VĐH có
mật độ khác nhau, tại nhiệt độ 300K.
93
Bảng 4.10 Tỉ phần các đơn vị cấu trúc SiNx (Six), các liên kết NSiy (Ny) và
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.cm-3
.
94
Bảng 4.11 Tỉ phần các đơn vị cấu trúc SiNx (Six), các liên kết NSiy (Ny) và
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.cm-3
.
94
Bảng 4.12 Tỉ phần các đơn vị cấu trúc SiNx (Six), các liên kết NSiy (Ny) và
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.cm-3
.
94
Bảng 4.13 Tỉ lệ Vvoid/V trong các mẫu Si3N4 VĐH có mật độ khác nhau tại
các nhiệt độ 300, 500, 700, 900 K.
102
Bảng 4.14 Các đặc tính cơ học của các mẫu Si3N4 VĐH có mật độ khác
nhau tại nhiệt độ 300K: E-Mô-đun đàn hồi I âng; σy - ứng suất
chảy; σf - ứng suất chảy dẻo.
107
Bảng 4.15 Mô-đun đàn hồi Iâng của các mẫu Si3N4 VĐH có mật độ khác
nhau tại các nhiệt độ 300, 500, 700, 900 K.
109
4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 2.1 Minh hoạ điều kiện biên tuần hoàn.
Trang
28
Hình 2.2 Mô hình tính toán gần đúng Ewald Summation trong không gian hai
chiều, mạng tuần hoàn 3x3 được dựng lên từ ô cơ sở có tâm n(0,0).
29
Hình 2.3 Quả cầu lỗ hổng và sự sắp xếp của chúng; a) LH và các nguyên tử lân
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.
34
Hình 2.4 Đường cong ứng suất-biến dạng (Stress-Strain) của SiC vô định hình
ở 300 K
40
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,
4-Lò đốt, 5-Bộ phận tạo chân không, 6-Lá chắn, 7-Bơm Turbo, 8-
Bơm quay)
43
Hình 3.1 Phổ nhiễu xạ XRD của lớp phủ đa lớp CrN/AlSiN được lắng đọng
trên đế với ca-tốt là hợp kim có nồng độ Si thay đổi.
50
Hình 3.2 Ảnh TEM và ảnh SAED của các lớp phủ đa lớp CrN/AlSiN: a) S1, b)
S2, c) S3 và d) S4.
52
Hình 3.3 Ảnh HR-TEM của các lớp phủ đa lớp CrN/AlSiN: a) S1 và b) S3. 52
Hình 3.4 Các đường cong chịu tải-khử tải đặc trưng của các lớp phủ đa lớp
CrN/AlSiN đo bằng phép đo nano-indentation
54
Hình 3.5 Hệ số ma sát (COF) và tốc độ mài mòn các lớp phủ đa lớp 54
Hình 3.6 (a). Phổ nhiễu xạ XRD của vật liệu phủ ngoài CrAlBN được lắng
đọng ở nhiệt độ đế TS=300 °C và áp suất PN khác nhau; (b). Chi tiết
các đỉnh nhiễu xạ của CrAlBN.
56
Hình 3.7 Ảnh HR-TEM và SAED của vật liệu phủ ngoài CrAlBN được lắng
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.
58
Hình 3.8 (a) Nồng độ nguyên tử; (b) Phổ XP của đỉnh N1s; (c) Dữ liệu TOFSIMS của Cr, Al, B bên trong vật liệu phủ ngoài được lắng đọng ở PN
=1,33 Pa và TS =300 °C.
59
Hình 3.9 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ cứng và mô-đun I-âng của vật 60
5
liệu phủ ngoài CrAlBN được lắng đọng ở nhiệt độ TS=300 °C và áp
suất PN khác nhau vào độ dịch chuyển .
Hình 3.10 (a). Phổ nhiễu xạ XRD của vật liệu phủ ngoài CrAlBN được lắng
đọng ở áp suất PN=1,33 Pa và nhiệt độ TS khác nhau; (b). Chi tiết các
đỉnh nhiễu xạ của CrAlBN.
62
Hình 3.11 Ảnh HR-TEM và SAED của vật liệu phủ ngoài CrAlBN được lắng
đọng ở áp suất PN=1,33 Pa và nhiệt độ TS khác nhau: (a) 250 °C, (b)
350 °C và (c) 400 °C
63
Hình 3.12 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ cứng và mô-đun I-âng của vật
liệu phủ ngoài CrAlBN được lắng đọng ở áp suất PN =1,33 Pa và nhiệt
độ TS khác nhau vào độ dịch chuyển.
64
Hình 4.1 a) Hàm PBXT cặp và b) PBGLK của mẫu Al0.88Si0.12N vô định hình 68
Hình 4.2 Phân bố bán kính lỗ hổng trong các mẫu Al1-xSixN VĐH 70
Hình 4.3 Các đường cong ứng suất-biến dạng của các mẫu Al1-xSixN VĐH 71
Hình 4.4 (a, b, c) HPBXT cặp của các mẫu Al1-xSixN ở nhiệt độ 300 K 73
Hình 4.5 Hàm PBXT cặp gAl-N(r)của mẫu S2 (Al0.8Si0.2N) ở các nhiệt độ khác
nhau.
74
Hình 4.6 PBGLK N-Al-N và N-Si-N của các mẫu AlN, S2, S4 và Si3N4 ở
nhiệt độ 300 K.
74
Hình 4.7 Hình ảnh cấu trúc nguyên tử bên trong các mẫu Al1-xSixN ở 300 K
(8,4x33,6x33,6 Ǻ): a) AlN, b) S1, c) S2, d) S3, e) S4, f) Si3N4
(nguyên tử N, Al, Si có mầu lần lượt là xám, xanh, đỏ.
77
Hình 4.8 Các tinh thể AlN fcc trong hình hộp có kích thước (33,6×33,6×33,6
Å) bên trong các mẫu ở 300 K được nhận biết bởi kĩ thuật CNA: a)
S1, b) S2, c) S3 và d) S4.
78
Hình 4.9 Phân bố bán kính lỗ hổng bên trong các mẫu Al1-xSixN ở nhiệt độ 300
K
79
Hình 4.10 Ảnh hưởng của thời gian ủ nhiệt lên tổng năng lượng của mẫu S3 79
Hình 4.11 Các đường cong ứng suất-biến dạng của các mẫu Al1-xSixN ở nhiệt độ
300, 700 và 900 K.
82
Hình 4.12 (a) Thế tương tác cặp tính theo phương trình (4.1, 4.3); (b) Tương
quan giữa năng lượng toàn phần và hằng số mạng của hệ CrN, AlN
và BN.
85