AlMgB14三元超硬硼化物的实验制备与理论研究

摘要：

三元硼化物AlMgB14材料具有高硬度,高韧性,低密度,低摩擦系数以及抗高温氧化腐蚀等众多优异性能,在工具、模具、微机械制造及航空航天关键零部件等领域具有重要的应用前景.本文采用多靶射频磁控共溅射技术,以高纯度Al(99.99%),Mg(99.95%),B(99.9%)材料为溅射靶源,在单晶Si(100)衬底上溅射沉积得到了表面均匀致密,不同化学组分的Al-Mg-B三元非晶态薄膜,通过调控溅射参数,可以实现原子比接近Al∶Mg∶B=1∶1∶14.对于所制备的薄膜样品,在三元相图上沿Al-Mg等含量线,Al-Mg-B材料的硬度,随着B元素含量增加由13 GPa增大到32 GPa,其中AlMgB14附近成分点的硬度达到25～32 GPa.同时,采用第一性原理计算,得到AlMgB14晶体的维氏硬度为27.6 GPa,与实验值接近.通过电子结构分析,我们进一步探讨了AlMgB14晶体和其他相似结构富B三元化合物硬度的起源,发现他们共同具有的B12二十面体骨架是决定硬度的主要因素.Al,Mg等金属元素主要通过向B12的电荷转移对材料硬度进行微调,Al-B之间形成了弱的共价键而Mg-B之间形成离子键,这点同时也为XPS实验谱图所证实.采用准简谐近似德拜模型,我们还研究了AlMgB14晶体的热学性质以及温度对体弹性模量的影响,发现体模量随温度增加明显的减小,同实验上提高衬底温度对硬度的增强呈现了相反的变化趋势.这从侧面说明了衬底温度提高导致的硬度增强并不是改变了材料的本征硬度,而可能由于加强了薄膜同衬底间附着力.

关键词：磁控溅射、Al-Mg-B、超硬材料、力学性能、热力学性能

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分类号：O484.1(固体物理学)

资助基金：中央高校基本科研业务费专项资金DUT10JN08;国家重点基础研究发展计划前期预研课题2008CB617614;国家自然科学基金40874039

在线出版日期：2011-12-05（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页码：764-774