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薄膜技术已广泛应用于加工制造、半导体、表面防护、光学器件、装饰等行业。在制造行业,薄膜技术的应用能大幅提高切削刀具的综合性能,使切削工具的使用寿命延长2~3倍,提高生产效率。相比TiN薄膜,ZrN薄膜硬度更高,更耐磨。ZrN等陶瓷薄膜由于较低的韧性,不能在动载荷下长时间服役。纳米多层膜具有周期性多层结构,大量的界面可以阻碍位错的运动和裂纹的扩展,从而具有良好的力学性能。为实现薄膜材料的强韧化,采用非平衡反应磁控溅射法制备了不同调制周期的ZrN基纳米多层膜。采用场发射扫描电镜、X射线衍射仪表征薄膜的形貌、结构。采用台阶仪测量薄膜表面粗糙度和厚度。采用纳米压痕仪检测薄膜的硬度和弹性模量。采用划痕仪测量薄膜/基材的结合力,同时,引入抗裂纹扩展系数(CPR)定性表征纳米多层膜的韧性。薄膜摩擦性能采用销盘磨损仪测试。ZrN/CrAlN纳米多层膜试验结果表明,断面皆为柱状结构,调制周期为20 nm时,多层膜层与层之间的界面清晰;多层膜表面呈致密的花椰菜状,厚度均约为2μm。调制周期为8 nm时,硬度为20.4 GPa,进一步增大调制周期硬度下降。调制周期为8 nm的多层膜临界载荷Lc2为18 N,CPR值为73.2,Lc2与CPR值均高于其他调制周期的多层膜。在临界载荷Lc2处,裂纹扩展导致薄膜发生了严重的片状剥落,露出了亮白的热轧钢基底,薄膜失去了保护作用。在多层膜厚度、调制比不变的条件下,改变调制周期能够改变多层膜的韧性。随着调制周期的增大,韧性性能呈先上升后下降趋势。调制周期为8 nm时纳米多层膜的硬度最高,韧性最好,综合性能良好。ZrN/VN纳米多层膜试验结果表明:多层膜断面为致密的柱状结构。在调制周期为10.4 nm时多层膜硬度达到最高值45.4 GPa,同时具有最高的抗塑性变形系数H3/E*2(0.38 GPa)。室温摩擦实验表明,随调制周期增大,对应的多层膜磨损率下降,当调制周期为12.2 nm时,薄膜磨损率最小为6.22×10-7 mm3/Nm。当环境温度为400 oC时,调制周期为10.4 nm的多层膜表现出相对良好的耐磨性能,VN子层起到了自润滑效果,磨损率为8.70×10-7 mm3/Nm。在700 oC摩擦磨损实验中,由于膜基热膨胀系数的不同,膜基结合力下降,多层膜很快发生剥落,失去对基材的保护作用。本研究为硬质薄膜的结构设计、制备及性能表征提供了方法支撑,为薄膜材料的强韧化提供了新的理念和可行性路径。