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钛基氮化物硬质薄膜材料力学、热力学特性及致硬机理的研究

批准号:
11347004
项目类别:
专项基金项目
资助金额:
20.0 万元
负责人:
焦照勇
依托单位:
学科分类:
基础物理
结题年份:
2016
批准年份:
2013
项目状态:
已结题
项目参与者:
马淑红、贾光瑞、郭永亮、牛毅君、沈克胜

项目摘要

结项摘要

项目成果

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中文摘要
钛基过渡族金属氮化物硬质材料因具有高硬度、低摩擦系数、良好的耐腐蚀、抗氧化和抗摩擦性能等优点,在材料的装饰涂层、模具的保护涂层及微电子领域的扩散阻挡层等方面具有广泛的应用前景,已成为新材料领域的研究前沿和热点。本课题旨在采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,并结合从头算原子热力学方法,从理论上系统地研究钛基氮化物TiN 、TiAlN和TiCrN 硬质材料的力学、热力学特性及其致硬机理,阐明TiN 、TiAlN和TiCrN 体系的微观结构、电子结构特点和具有高硬度的本质原因,探寻钛基氮化物硬质材料的力学、热力学及动力学稳定性与高硬度之间的最佳结合点,揭示温度压强、膜层厚度以及Al 、Cr含量等因素对这类硬质材料的力学、热力学及其硬度特性的影响及其致硬机理,探寻改良钛基氮化物硬质材料性能的可能途径,以期为该类硬质材料在实验上的合成和工业上的应用提供理论依据和指导。
英文摘要
Transition-metal (TM) nitrides TiN,TiAlN and TiCrN films are considered as an important functional materials due to their rich variety of properties, such as high hardness,low friction coefficient, high-temperature resistance, superior oxidation andcorrosion resistance as well as good thermal stability. These properties are favorable for applications in the mold of protective coating, the adornment of the material coating, microelectronic devices and hard protective coatings for cutting tools. In the past twenty years, TiN,TiAlN and TiCrN films have inspired many experimental and theoretical investigations. Despite the success of sputter deposited transition metal nitrides thin films, there remains much uncertainty related to the correlations between the mechanical, thermodynamical properties and the doping concentration and the size of thin films. Also the hardness mechanisms of these materials is not clear. In current project, we will study the microstructure, electronic structure, the mechanical, thermodynamical properties and mechanisms of hardness of the TiN,TiAlN and TiCrN thin films using the first-principles calculations based on density functional theory (DFT) along with the ab initio atomistic thermodynamics method. Our purposes are to (1) elaborate the correlations between the mechanical, thermodynamical properties and the doping concentration and the size of thin films of TiAlN and TiCrN and hence obtain a better interplay between theory and experiment; (2) shed light on the mechanism of hardness of the thin films. The findings will rationalize the available experimental results well and enrich our understanding of functional properties of the TiN,TiAlN and TiCrN thin films. Moreover, this study will provide the theoretical insights for the application of TiN,TiAlN and TiCrN films and open a new way for the designing of new higher hardness coating materials.
钛基过渡族金属碳、氮化物硬质材料因具有高硬度、低摩擦系数和良好的耐腐蚀等性能,在材料的装饰涂层、模具的保护涂层、微电子领域的扩散阻挡层等领域具有广泛的应用前景,已成为新材料领域的研究前沿和热点,具有十分重要的研究价值。本项目采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,对钛基过渡族金属碳、氮二元、三元化和物以及过渡金属原子掺杂体系的稳定性、电子结构、力学性能和热力学性能等进行了较为系统的研究,特别是过渡金属原子掺杂浓度对其电子特性和力学性能的影响,主要得到以下四方面有意义结果:(1)对钛基二元氮化物TiN和钛基二元碳化物TiC体系的力学、热力学性能方面开展了详细的对比研究,对比研究了TiN和TiC的电子结构、力学性能、热力学性能以及成键情况,并且研究了外压力下TiN和TiC体系的结构相变、和硬度变化情况,并解释了硬度变化的机理。(2)采用Supercell结构模型,对过渡金属原子Nb掺杂钛基二元氮化物TiN体系的结构稳定性、力学性能、电学性能以及Nb掺杂浓度对其性能的影响进行了系统研究。(3)系统研究了具有高硬度的三元钛基碳化物Ti4SiC3、Ti4GeC3材料高压条件下的相稳定性、力学性能以及化学键特征,并解释了其优异性能的物理机制。(4)采用基于DFT的第一性原理方法,建立Supercell结构模型,对三元钛基碳化物Ti2AlC和Ti4AlC3掺杂过渡金属原子Nb的(Ti1-xNbx)2AlC和(Ti1-xNbx)4AlC3体系的相稳定性、热学性能和热力学性能进行系统研究,研究结果标明:过渡金属原子掺杂能在一定程度上改善其力学性能,并解释了物理机制。本研究将为钛基二元氮化物及其三元化合物硬质薄膜材料在实验上的合成和工业上的应用提供理论依据和指导。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI: 10.1080/00268976.2016.1211326
发表时间: 2016-07
期刊: Molecular Physics
影响因子: 1.7
作者: [Kesheng Shen;Guangrui Jia;Xian-zhou Zhang;Z. Jiao]
通讯作者: Kesheng Shen;Guangrui Jia;Xian-zhou Zhang;Z. Jiao
Ab initio study on the adsorption of oxygen on Co(111) and its subsurface incorporation
Co(111) 上氧的吸附及其地下掺入的从头算研究
DOI: 10.1140/epjb/e2014-50292-0
发表时间: 2015-01
期刊: European Physical Journal B
影响因子: 1.6
作者: [S.H. Ma, Z.Y. Jiao, T.X. Wang, X.Q. Dai]
通讯作者: X.Q. Dai
First-principles study of ceramic material (Ti1-xNbx)2AlC compounds and its compressive behavior under pressure up to 55 GPa
陶瓷材料(Ti​​1-xNbx)2AlC化合物的第一性原理研究及其在高达55 GPa压力下的压缩行为
DOI: 10.1016/j.jallcom.2013.12.233
发表时间: 2014-04-05
期刊: JOURNAL OF ALLOYS AND COMPOUNDS
影响因子: 6.2
作者: [Ma Shu-Hong, Jiao Zhao-Yong, Huang Xiao-Fen]
通讯作者: Huang Xiao-Fen
High pressure phase stability, mechanical and optical properties of Ti4SiC3 compound: ab initio study
Ti4SiC3 化合物的高压相稳定性、机械和光学性能:从头开始研究
DOI: 10.1140/epjb/e2014-50358-y
发表时间: 2014-10
期刊: THE EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL B
影响因子: --
作者: [Jiao Zhaoyong, Ma Shuhong, Wang Tianxing]
通讯作者: Wang Tianxing
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