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


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 .......................................................................34
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



4.2.2. Cấu trúc vi mô của AlBN vô định hình .................................................87
4.2.3. Cơ tính của hệ CrN/AlBN/CrN .............................................................88


4.3. Hệ Si3N4 vô định hình ......................................................................................89
4.3.1. Xây dựng các mẫu mô phỏng Si3N4. .....................................................89
4.3.2. Cấu trúc vi mô của Si3N4 VĐH .............................................................90
4.3.3. Tương quan giữa phân bố góc liên kết và tỉ phần của các đơn vị cấu trúc
trong các mẫu Si3N4 ..............................................................................................104
4.3.4. Cơ tính của vật liệu Si3N4 VĐH ..........................................................107

KẾT LUẬN ..................................................................................................................... 112
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ........... 113
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 114


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-


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

58

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

64

CrAlBN ở các nhiệt độ TS khác nhau và áp suất PN=1,33 Pa.
Bảng 4.1

Các đặc trưng cấu trúc và mô-đun đàn hồi Iâng của Al1-xSixN

70

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.
Bảng 4.2

Các đặc trưng cấu trúc và mô-đun đàn hồi Iâng của Al1-xSixN ở

76

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.
Bảng 4.3

Các đặc trưng cấu trúc và mô-đun đàn hồi Iâng của Al1-xSixN ở


2

92


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

93

khác nhau: rα-β - độ dài liên kết giữa nguyên tử α-β; Zα-β- SPT
trung bình.
Bảng 4.9

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 có
mật độ khác nhau, tại nhiệt độ 300K.
Bảng 4.10

Tỉ phần các đơn vị cấu trúc SiNx (Six), các liên kết NSiy (Ny) và

95



nhau tại nhiệt độ 300K: E-Mô-đun đàn hồi I âng; σy - ứng suất
chảy; σf - ứng suất chảy dẻo.
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.

3

110


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Trang
Hình 2.1

Minh hoạ điều kiện biên tuần hoàn [2].

28

Hình 2.2

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) [1].
Hình 2.3


51

trên đế với ca-tốt là hợp kim có nồng độ Si thay đổi.
Hình 3.2

Ảnh TEM và ảnh SAED của các lớp phủ đa lớp CrN/AlSiN: a) S1, b)

53

S2, c) S3 và d) S4.
Hình 3.3

Ảnh HR-TEM của các lớp phủ đa lớp CrN/AlSiN: a) S1 và b) S3.

53

Hình 3.4

Các đường cong chịu tải-khử tải đặc trưng của các lớp phủ đa lớp

55

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.

55

Hình 3.6



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

63

đọng ở áp suất PN=1,33 Pa và nhiệt độ TS khác nhau; (b). Chi tiết các
đỉnh nhiễu xạ của CrAlBN.
Hình 3.11

Ảnh HR-TEM và SAED của vật liệu phủ ngoài CrAlBN được lắng

64

đọng ở áp suất PN=1,33 Pa và nhiệt độ TS khác nhau: (a) 250 °C, (b)
350 °C và (c) 400 °C.
Hình 3.12

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ cứng và mô-đun I-âng của vật

65

liệu phủ ngoài CrAlBN được lắng đọng ở áp suất PN =1,33 Pa và nhiệt
độ TS khác nhau vào độ dịch chuyển.
Hình 4.1



PBGLK N-Al-N và N-Si-N của các mẫu AlN, S2, S4 và Si3N4 ở

75

nhiệt độ 300 K.
Hình 4.7

Hình ảnh cấu trúc nguyên tử bên trong các mẫu Al1-xSixN ở 300 K

78

(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.
Hình 4.8

Các tinh thể AlN fcc trong hình hộp có kích thước (33,6×33,6×33,6

79

Å) bên trong các mẫu ở 300 K được nhận biết bởi kĩ thuật CNA: a)
S1, b) S2, c) S3 và d) S4.
Hình 4.9

Phân bố bán kính lỗ hổng bên trong các mẫu Al1-xSixN ở nhiệt độ

80

300K.
Hình 4.10

Hình 4.14

Hàm PBXT và PBGLK của vật liệu AlBN VĐH.

87

Hình 4.15

Đường cong ứng suất-biến dạng của các mẫu CrN/AlBN/CrN.

88

Hình 4.16

Hàm PBXT toàn phần của Si3N4 VĐH ở nhiệt độ 300 K, mật độ 2,62

91

-3

g.cm và hàm PBXT thực nghiệm [124].
Hình 4.17

Hàm PBXT cặp của Si3N4 VĐH tại các nhiệt độ 300, 500, 700, 900 K

91

-3

với mật độ 2,80 g.cm .

nhau tại nhiệt độ 300 K.
Hình 4.22

PBGLK toàn phần Si-N-Si trong 6 mẫu Si3N4 VĐH có mật độ khác

98

nhau tại nhiệt độ 300 K.
Hình 4.23

PBBKLH trong các mẫu vật liệu Si3N4 VĐH có mật độ khác nhau tại

99

nhiệt độ 300, 500, 700, 900 K.
Hình 4.24

(a) PBBKLH trong các mẫu vật liệu Si3N4 VĐH có mật độ khác nhau

99

tại nhiệt độ 300K; (b) Phân bố bán kính các Simplex và (c) Sự phụ
thuộc mật độ của nPTE/nSi.
Hình 4.25

Hình ảnh trực quan phân bố các quả cầu lỗ hổng trong mẫu có mật độ

100

2,4 g/cm3.

105

đường liền nét biểu diễn theo mô phỏng, đường chấm tròn biểu diễn
theo tính toán bằng phương trình (4.5).
Hình 4.30

PBGLK toàn phần Si-N-Si trong các mẫu Si3N4 tại nhiệt độ 300 K:

106

đường liền nét biểu diễn theo mô phỏng, đường chấm tròn biểu diễn
theo tính toán bằng phương trình (4.6).
Hình 4.31

Đường cong ứng suất - biến dạng của sáu mẫu Si3N4 VĐH có mật độ

107

khác nhau, tại nhiệt độ 300 K.
Hình 4.32

Sự phụ thuộc của tỉ phần các đơn vị cấu trúc SiN4 (a) và tỉ lệ nPTE/nSi

108

(b) vào độ biến dạng.
Hình 4.33

Đường cong ứng suất - biến dạng của 12 mẫu Si3N4 VĐH có mật độ
khác nhau, tại các nhiệt độ 300, 500, 700, 900 K.

Ulsan, Hàn Quốc. Sau đó, tôi đã tham gia vào quá trình phân tích các dữ liệu thực
nghiệm. Kết quả phân tích các dữ liệu này cho thấy nồng độ Si và cấu trúc của lớp
AlBN ảnh hưởng tương đối lớn đến cơ tính của các vật liệu phủ trên. Tuy nhiên,
làm sáng tỏ sự tăng cường cơ tính của các lớp phủ trên bằng thực nghiệm là một
nhiệm vụ hết sức khó khăn. Do đó trên cơ sở các kết quả thực nghiệm đã nhận
được, ý tưởng sử dụng phương pháp mô phỏng để giải thích rõ cơ chế tăng cường

8


cơ tính của lớp AlSiN trong vật liệu phủ đa lớp CrN/AlSiN, cũng như cơ chế tăng
cường cơ tính của hệ CrN/AlBN/CrN khi nguyên tử B khuếch tán vào tinh thể AlN
trong lớp AlBN được hình thành và thực hiện. Đồng thời, cũng bằng phương pháp
mô phỏng, luận án tiến hành làm rõ hơn bức tranh về cấu trúc vi mô và cơ chế tăng
cường cơ tính của hệ Si3N4 VĐH, một trong hai pha cấu thành nên vật liệu phủ
ngoài nanocomposite.

2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án là vật liệu phủ ngoài CrN/AlSiN và lớp vật
liệu AlSiN, vật liệu phủ ngoài CrN/AlBN và hệ CrN/AlBN/CrN, hệ Si3N4 ở trạng
thái VĐH. Nội dung nghiên cứu của luận án tập trung vào các vấn đề sau đây: 1)
Ảnh hưởng của nồng độ Si lên cấu trúc, tính chất cơ học của vật liệu phủ ngoài
CrN/AlSiN, ảnh hưởng của nhiệt độ, nồng độ Si lên cấu trúc vi mô cũng như cơ tính
của lớp vật liệu AlSiN; 2) Mối tương quan giữa các đặc trưng cấu trúc và cơ tính
của vật liệu phủ ngoài CrN/AlBN, ảnh hưởng của cấu trúc lớp AlBN lên cơ tính của
hệ CrN/AlBN/CrN; 3) Mối liên hệ giữa các đặc trưng cấu trúc và cơ tính của Si3N4
VĐH cũng như sự thay đổi cấu trúc vi mô của hệ khi chịu tải trọng lớn. Ảnh hưởng
của nhiệt độ lên vi cấu trúc và cơ tính của hệ Si3N4 VĐH.

3. Phương pháp nghiên cứu

Luận án đã giải thích được cơ chế tăng cường cơ tính của vật liệu phủ ngoài
CrN/AlSiN, khi nồng độ Si tăng, liên quan đến sự thay đổi đáng kể của tỉ phần các
đơn vị cấu trúc SiNx trong lớp AlSiN. Quá trình nguội nhanh gây nên quá trình tinh
thể hóa AlN trên nền Si3N4 VĐH, kết quả là mô-đun đàn hồi của vật liệu Al1-xSixN
được tăng cường.
Luận án đã chỉ ra cơ chế tăng cường cơ tính của hệ CrN/AlBN/CrN là do kích
thước của tinh thể AlBN tăng khi Bo khuếch tán vào tinh thể AlN trong lớp AlBN.
Luận án đã giải thích được cơ chế tăng cường cơ tính của vật liệu Si3N4 VĐH
là do sự thay đổi tỉ phần đơn vị cấu trúc SiNx, đồng thời chỉ ra rằng cấu trúc vi mô
và cơ tính của vật liệu Si3N4 VĐH ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ.

6. Cấu trúc của luận án
Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án được chia thành 4 chương:
Chương 1: Tổng quan (Trình bày tổng quan về các vật liệu phủ ngoài cứng và
siêu cứng cũng như cơ chế tăng cường độ cứng của chúng. Đồng thời trình bày tổng
quan về tình hình nghiên cứu vi cấu trúc cũng như cơ tính của các hệ AlSiN, AlBN,
Si3N4 VĐH, một trong các vật liệu cấu thành nên các vật liệu phủ ngoài).
Chương 2: Phương pháp mô phỏng và phương pháp chế tạo vật liệu phủ ngoài
10


(Trình bày phương pháp mô phỏng ĐLHPT, HPT, các phương pháp phân tích cấu
trúc vi mô và phương pháp mô phỏng biến dạng để nghiên cứu cơ tính của các mẫu
vật liệu mô phỏng. Tiếp theo, trình bày về phương pháp chế tạo vật liệu phủ ngoài
bằng lắng đọng hồ quang plasma và một số phương pháp phân tích vật liệu phủ
ngoài).
Chương 3: Vật liệu phủ ngoài CrN/AlSiN và CrN/AlBN (Trình bày ảnh hưởng
của nồng độ Si lên cấu trúc, cơ tính của vật liệu phủ ngoài CrN/AlSiN. Đồng thời
trình bày ảnh hưởng của áp suất khí nitơ (PN) và nhiệt độ của đế (TS) lên cấu trúc và
cơ tính của vật liệu phủ ngoài CrN/AlBN).

tạo thành công vật liệu phủ ngoài TiN từ những năm 1970, công nghệ chế tạo các
vật liệu phủ ngoài bền vững Ti(C,N) đã được phát triển rộng rãi nhằm nâng cao khả
năng chống mài mòn và khả năng chống ăn mòn của vật liệu [134]. Gần đây, vật
liệu phủ ngoài (Ti,Al)N đã được chế tạo thành công, trong đó nguyên tố Al được
đưa vào mạng TiN tạo thành lớp vật liệu siêu bền [136]. Sự hình thành lớp ôxít
nhôm đậm đặc bám chặt trên lớp vỏ cứng dẫn đến khả năng ứng dụng vật liệu này
trong vùng nhiệt độ cao [25]. Khả năng chống ôxy hóa ở nhiệt độ cao và độ cứng
của vật liệu phủ ngoài này cũng được nâng cao hơn nữa bằng cách thêm vào một
lượng nhỏ Si [36,143]. Việc đưa thêm nguyên tố Al, đặc biệt là nguyên tố Si vào vật

12


liệu phủ ngoài TiN tạo thành vật liệu nanocomposite với các pha vật liệu tinh thể
(tt-) TiN, tinh thể AlN và vô định hình (vđh-) Si3N4 [36,143].
1.1.1. Vật liệu phủ ngoài nanocomposite
Trong những năm qua, việc nghiên cứu và ứng dụng vật liệu phủ ngoài
nanocomposite có khả năng hồi phục cao khi chịu biến dạng như vật liệu cứng, siêu
bền tt-TiC/vđh-C [11], vật liệu siêu cứng, có độ dẻo cao tt-MeN/vđh-Si3N4, trong
đó Me = Ti, Cr, W, V, Zr, … là kim loại chuyển tiếp [106], đã được phát triển rộng
rãi. Mặc dù cả hai loại vật liệu nanocomposite trên đều được tạo thành bởi các hạt
tinh thể nanô trên nền vật liệu vô định hình nhưng do có cấu trúc khác nhau nên
chúng thể hiện những tính chất vật lý hoàn toàn khác nhau. Các loại vật liệu phủ
ngoài nanocomposite cứng hoặc siêu cứng khác nhau đã được Musil phân loại như
sau [60]:
1. tt-MeN/vđh-nitride, ví dụ như: tt-MeN/vđh-Si3N4 (Me=Ti, W, V)
2. tt-MeN/vđh-nitride, ví dụ như: tt-TiN/vđh-BN
3. tt-MeC/vđh-C, ví dụ như: tt-TiC/DLC
4. tt-MeN/kim loại, ví dụ như: tt-ZrN/Cu, tt-(Ti,Al)/AlN, tt-CrN/Cu
5. tt-MeN hoặc MeC/vđh-hợp chất boron, ví dụ như: tt-Ti(B,O)/vđh(TiB2,TiB, và B2O3), Ti-B-C

của vật liệu nanocomposite tt-TiN/vđh-Si3N4 là khả năng chống ôxy hóa ở nhiệt độ
cao lên đến 800 oC do có lớp SiNx bền vững, đậm đặc trên bề mặt, cản trở sự
khuếch tán của ôxy trên bề mặt của vật liệu [110]. Các kết quả nghiên cứu về quá
trình lắng đọng vật liệu phủ ngoài "Ti-B-N" và các đặc tính của vật liệu phủ ngoài
này cho thấy đây cũng là lớp phủ nanocomposite siêu cứng do hai pha TiN và TiB2
không thể trộn lẫn nhau [106]. Knotek và cộng sự là những tác giả đầu tiên chỉ ra cơ
chế tăng cường độ cứng của siêu hợp chất (superstoichiometric) TiC1+x hay
TiC/vđh-C [88] tương tự như vật liệu phủ ngoài tt-TiN/vđh-Si3N4. So với các lớp
phủ nanocomposite siêu cứng trên nền vật liệu nitride, vật liệu phủ ngoài ttTiC/vđh-C có khả năng kháng nhiệt và chống ôxy hóa thấp hơn. Tuy nhiên, vì có hệ
số ma sát thấp nên nó thường được sử dụng làm lớp phủ bề mặt chống ma sát cho
các vòng bi và các bộ phận khác [110]. Tanaka và cộng sự [143] đã chế tạo thành
công vật liệu phủ ngoài TiAlSiN dạng dung dịch rắn bằng công nghệ lắng đọng hồ
quang chân không. So với vật liệu phủ ngoài TiAlN, hiệu suất cắt của các công cụ

14


có dao cắt được phủ bởi lớp TiAlSiN được nâng cao rất nhiều. Những công cụ có
dao cắt được phủ bởi lớp dung dịch rắn TiAlSiN có hiệu suất cao, tốc độ cắt có thể
lên đến 600 m/phút, trong khi các dao cắt khác có thể bị sứt mẻ hoặc vỡ ra ở tốc độ
thấp hơn [109].
1.1.2. Vật liệu phủ ngoài đa lớp đồng cấu trúc và dị cấu trúc
Những nghiên cứu đầu tiên về quá trình lắng đọng vật liệu phủ ngoài đa lớp
cứng, siêu cứng và cơ chế hình thành vi cấu trúc tương ứng của chúng cũng như sự
mở rộng của siêu mạng xuất hiện từ giữa những năm 1980 [46,68,130]. Đến nay,
vật liệu phủ ngoài đa lớp đã thu hút sự chú ý của rất nhiều nhà nghiên cứu thực
nghiệm và lý thuyết. Kết quả ban đầu thu được từ quá trình nghiên cứu vật liệu phủ
ngoài đa lớp cổ điển, bao gồm hai pha vật liệu sắp xếp xen kẽ nhau tuần tự với độ
dày từng lớp khác nhau, cho thấy các đặc tính của vật liệu phủ ngoài tăng mạnh khi
chu kỳ hai lớp (Λ) của lớp phủ hoặc kích thước của các tinh thể trong vật liệu tạo

có mặt tiếp giáp rõ nét, tuy nhiên để chế tạo lớp phủ như thế trong công nghiệp
không hề dễ dàng, trong khi đó tạo ra lớp phủ "đa lớp" với bề mặt tiếp xúc nhám dễ
dàng hơn. Lớp phủ đa lớp đồng cấu trúc là lớp phủ đa lớp, trong đó các lớp riêng
biệt có cấu trúc tương tự nhau. Nói chung, chúng có cơ chế trượt lệch mạng giống
nhau, do đó các sai lệch mạng có thể lan truyền qua mặt tiếp giáp giữa các lớp. Hầu
hết các nghiên cứu trên lớp phủ đa lớp đồng cấu trúc cứng đã được thực hiện trên
hợp chất của nitơ với các kim loại chuyển tiếp khác nhau như TiN, VN, NbN, vv…
Nhiều lớp phủ đa lớp đa tinh thể, bao gồm hợp chất của N với các kim loại chuyển
tiếp, đã được nghiên cứu như TiAlN/ZrN [76], TiN/CrN [81,95] và TiN/MoN [81].
Chúng đều có độ cứng lớn hơn 30 GPa, nhưng không vật liệu nào có độ cứng vượt
quá 50 GPa như TiN/NbN [139] và TiN/VN [130]. Ngược lại, trong lớp phủ đa lớp
dị cấu trúc bao gồm các lớp có cấu trúc khác nhau và cơ chế trượt lệch mạng khác
nhau, sự lan truyền sai lệch mạng qua mặt tiếp giáp giữa các lớp trở nên khó khăn
hơn. Một số lớp phủ đa lớp nitride dị cấu trúc đã được chế tạo thành công bao gồm
TiN/AlN [82,144], CrN/(Al,Si)N [58,120] và (Ti,Cr)N/(Al,Si)N [86,117]. Trong
các lớp phủ đa lớp này, lớp (Al,Si)N, thường có cấu trúc tinh thể lục giác, tuy nhiên
tồn tại cả cấu trúc tinh thể lập phương hoặc cấu trúc vô định hình với các lớp có độ
dày dưới 3 nm, có mặt tiếp giáp rõ nét với (Ti, Cr)N. Độ cứng của lớp phủ có độ
dày như thế có thể lên đến 40 GPa, lớn hơn nhiều so với vật liệu phủ ngoài có các
lớp dày hơn.
1.1.3. Một số cơ chế tăng cường độ cứng của lớp phủ đa lớp
Trong phần này, luận án trình bày một số dự đoán lý thuyết về các hiệu ứng
tăng cường cơ tính của vật liệu đa lớp. Các lý thuyết này được P. C. Yashar và W.
16


D. Sproul tổng hợp trong công trình khoa học tổng quan [96]. Một số cơ chế tăng
cường độ cứng như ảnh lực tác dụng lên sai lệch mạng, hiệu ứng Hall-Petch, lệch
mạng lan truyền trong vùng biến dạng xen kẽ, hiệu ứng supermodulus.
1.1.3.1.Hiệu ứng ảnh


trong đó α bằng 1/4π với lệch mạng đinh ốc và (1-υ)/4π với lệch mạng biên, b là độ
lớn của véc tơ Burger. Khi mặt trượt lệch mạng và mặt phân cách trực giao nhau thì
sinθ =1. Số hạng sinθ được thêm vào để xác định ứng suất trượt trong trường hợp
mặt trượt có hướng bất kỳ [140]. Theo phương trình (1.1), ứng suất trượt tối đa
(τmax) tác dụng lên lệch mạng đinh ốc khi nó định xứ trên mặt phân cách (x = 0)
được cho bởi:
τ max = (G B − G A ) sin θ / π 2

(1.2)

Trong mô hình đơn giản này, sai lệch mạng chỉ giới hạn trong lớp A cho đến khi
ứng suất trượt τA+τmax tác dụng lên hệ, trong đó τA là ứng suất trượt cần thiết để di

17


chuyển sai lệch mạng trong vật liệu A.
Để so sánh kết quả này với các giá trị độ cứng có được, trước hết cần chuyển
từ ứng suất trượt sang ứng suất chảy (yield stress) theo quy tắc Schmidt, σ = τ/m,
trong đó m là thừa số Taylor [128]. Đối với vật liệu đa tinh thể fcc m = 0,32, đối với
nitride kim loại chuyển tiếp có cấu trúc như NaCl giá trị của m ≈ 0,3 [140]. Sau đó,
độ cứng có thể được ước tính từ ứng suất chảy bằng công thức H ≈ 3σ . Kết hợp các
phương trình trên, ta thu được giá trị độ cứng tối đa của lớp phủ đa lớp đồng cấu
trúc theo hiệu ứng ảnh:
H max = H A +

3(G B − G A )sin θ
mπ 2