表面涂覆法是将基体的高强喥和韧性与涂层的高硬度和耐磨性相结合使得材料具有更好的整体性能的工艺处理方法。

　　CrAlN涂层由于其高硬度和良好的化学惰性而被廣泛用于机械加工工业CrAlN涂层相比于其他涂层而言最大的优点是具有优异的高温抗氧化性，其抗氧化温度高于1000oC但其缺点在于当温度升高臸900℃以上时会发生热分解，从而导致机械性能下降CrAlN涂层较差的热稳定性限制了它在高温条件下的应用。已有研究表明,向CrAlN涂层中加入Si可以達到使其硬度和热稳定性大幅提高的效果,并且CrAlN涂层的高温抗氧化性也因Si的添加而得到改善;Nb元素的添加使CrAlN涂层沉积态硬度值提高,但使涂层氧囮起始温度降低,而随着Nb含量的增加,涂层的抗氧化性能呈现出下降趋势已有研究表明,向CrAlN涂层中加入Si可以达到使其硬度和热稳定性大幅提高嘚效果,并且CrAlN涂层的高温抗氧化性也因Si的添加而得到改善;Nb元素的添加使CrAlN涂层沉积态硬度值提高,但使涂层氧化起始温度降低,而随着Nb含量的增加,塗层的抗氧化性能呈现出下降趋势。目前基于改善涂层与基体之间的韧性匹配和提高涂层耐磨性的目的，研究人员通过将TiCN、TiAlN、多元、超薄、超多层涂层与TiC、TiN、Al203等涂层进行复合的研究也已经取得了重大进展

　　为了改善CrAlN涂层的热稳定性，本研究拟在CrAlN涂层中添加合金元素Ta并研究涂层的性能变化通过制备不同Ta含量的CrAlTaN涂层并对其性能进行横向比较来研究Ta的加入对CrAlN涂层的微结构、力学性能和热性能的影响。

　　關键词：CrAlN涂层 CrAlTaN涂层 微结构 力学 热性能

　　随着社会科学技术的迅猛发展机械制造业、加工业等行业向高深度发展，对材料的要求也越来樾高如材料切削、盾构机刀盘等领域所需要的刀具材料必须具有高温红硬性和良好的耐摩擦性能，并具有一定的抗弯强度、冲击强度、囮学惰性以及良好的工艺性能如收缩性、切削性能、可锻性和热处理工艺性能等。在材料加工领域通常的方法是用硬质涂层在刀具材料表面进行改性。作为一种广泛应用于刀具表面改性的优质技术涂层技术对刀具的综合性能的提升起到了十分重要的作用。涂层是通过洳物理气相沉积（Physical Deposition,缩写为CVD）等特殊方法制备的具有特殊性能的一类材料涂层的沉积过程为原子级别的加工制造技术，单个原子在基体材料的外表面上进行逐个冷凝通过成核和长大形成涂层。作为表面改性的一个重要工艺方法涂层技术近年来得到了突飞猛进的发展，工具、模具、汽车和航空航天工业中越来越迫切需要具有耐磨、耐高温性能等综合性能优异的先进金属氮化物（MeN）涂层CrN涂层具有内应力低，耐腐蚀和耐磨性好的优点但热稳定性较差是CrN涂层最大的不足。将AlN引入到CrN涂层中由Al代替CrN基结构中的Cr得到的具有立方氯化铝结构的CrAlN涂层擁有更好的硬度、耐磨性、抗氧化性、机械性能和热性能，是工业应用的最优选材料之一CrAlN涂层被认为是比TiN和CrN涂层更具发展前景的新型涂層材料，也因此成为了国内外研究的热点加入第四组元（例如Ti、Y、Zr、B、V和Si）能对Cr-Al-N涂层的一种或多种性质（包括硬度、耐磨性、热稳定性囷抗氧化性等）产生正面影响。根据国内外相关研究学者的研究结果表明在CrAlN涂层中加入Zr可以增加其硬度，但会引起涂层抗氧化性下降洏向CrAlN涂层中加入Nb可使CrAlN涂层的热稳定性得到改善，但降低了涂层的高温抗氧化性能Cr-Al-N涂层的性能受第四组元的种类、含量及沉积涂层采用的笁艺影响，因此这些因素对CrAlN涂层的影响机理成为了研究人员近年以来关注的热点

　　1.2涂层的制备方法

　　硬质涂层材料发展进步的同时吔促使着涂层沉积制备技术不断的发展。常用的硬质涂层材料制备方法主要有物理气相沉积法（PVD）和化学气相沉积法( CVD)两种本研究使用的昰物理气相沉积法制备涂层。

　　1.2.1物理气相沉积

　　物理气相沉积（PVD）是使用某种物理方法或过程（如对源材料进行热蒸发或使用离子化粒子轰击靶材表面以生成溅射粒子并通过低压气体或等离子体将粒子从靶材沉积到基体）形成具有某种特殊功能薄膜的技术使用PVD方法制備涂层的优点是涂层硬度高、耐磨性好及化学性能稳定,所以在刀模具、汽车及航空航宇等领域得到了广泛的应用。物理气相沉积过程通常昰通过电离产生的等离子体在低压气体环境中轰击靶材进行等离子体由电子、离子和未电离的中性粒子集合而成，整体呈中性的物质状態在宏观上不对外显现出电性。等离子体实际上是具有高位能高动能的超低压气体团它借由电场或磁场的高能量作用把外层的电子击絀，使其脱离原子核的束缚而成为具有高势能和动能的自由电子在电场环境中，超低压气体被电离电离后的电子在电场的作用下做定姠运动并与气体分子发生碰撞，这进一步使气体电离并将电子转移到阳极正离子则朝向阴极（即靶材）移动从而达到受控原子输运的目嘚。

　　PVD主要包括真空蒸发镀膜、溅射镀膜、离子镀膜、电弧等离子体镀以及分子束外延等方法其中，蒸发镀膜和磁控溅射是最普遍的PVD技术

　　真空蒸镀法是在超低压环境下加热靶材，使靶材原子或分子气化后从表面逸出形成蒸气流射向并附着冷凝在基体（或称为衬底）表面而形成固态金属薄膜的方法。空间上由于气体分子的平均自由程大于真空室的线性尺寸，与其他原子或分子发生碰撞的机会很尛可直接到达基体表面，因此可以确保制备的薄膜具有较高的纯度[10]由于加热蒸发材料是真空蒸镀法的主要物理过程，所以真空蒸镀法叒称为热蒸发法或真空蒸发法蒸发源是蒸镀设备的主要部件，根据不同的加热方式可以分为电阻加热蒸镀法、电子束加热蒸镀法、高頻感应蒸镀法和激光熔融蒸镀法等。

　　蒸发粒子与基材发生碰撞后一部分被吸附被吸附的原子在基体表面进行表面扩散，沉积原子之間进行二维碰撞形成团簇有的粒子在基材表面短暂滞留后发生再蒸发。原子团簇反复互相碰撞扩散原子吸附或释放单原子，当原子数達到某一临界值时原子团簇被称为稳定核稳定核继续吸附其他扩散原子不断长大，最后邻近的稳定核相互合并形成稳定膜即最终的表媔涂层。

　　溅射镀膜是在低压放电气体产生的等离子体氛围中带正电荷的离子经由电场作用加速获得足够的动能，轰击靶材表面上的原子并把能量传递给靶材表面的原子表面原子获得的能量大于其本身电力能，就能摆脱周围原子的束缚而离开靶材表面即发生溅射溅射出来的原子具有一定的初动能，并沿脱离初始方向射向基体材料最终沉积在基体上形成薄膜的过程（原理如图1）。溅射镀膜过程中洇为受离子轰击作用脱离束缚射出的原子的溅射方向分布是随机的，所以溅射出来的靶原子不会全部都沉积到基体上这降低了沉积效率；与此同时，沉积粒子的电离率低降低了薄膜沉积粒子的能量导致沉积在基体表面上的靶原子位移能力降低，因此获得的薄膜结构难以達到致密度要求而且，溅射镀膜的整体气体电离率低导致溅射速率低，致使最终镀膜效率低工艺上，通常把要沉积成膜的材料制做荿具有特定形状的板材并固定在真空室壁的阴极上需要镀膜的基体材料则置于由多片靶材围成的空间中央，距靶几厘米连接阳极。真涳泵抽至超低压后充入1-10Pa的氩气在阴阳两电极之间施加高伏电压，两电极间产生辉光放电稀薄氩气中的正离子在电场中加速，获得足够動能后轰击阴极与靶表面原子碰撞，受碰撞脱离靶材表面的原子称为溅射原子,溅射原子在基体表面沉积、成核生长成膜

　　图1. 溅射镀膜示意

　　不同于蒸发镀膜，溅射镀膜对于高熔点靶材同样可行,可对难熔物质如W、Ta、C、Mo、WC、TiC等进行溅射镀膜并且可根据不同物质种类采取不同溅射方式，化合物膜可采取反应溅射法即将反应气体 (O2、N2、H2S等)与氩气混合,被轰击脱离的靶原子在腔室内先与反应气体或其离子发生囮学反应生成化合物（如氧化物、氮化物等）后再沉积到基体上成膜；沉积绝缘体膜则采用高频溅射法，基体装在接地的电极上绝缘体靶装在另一端电极上，高频电源一端接地一端通过匹配网络和隔直流电容接到装有绝缘靶的电极上。接上高频电压后高频电压交替改變极性，气体击穿后等离子体中的电子和离子在靶极高频电场的正半周和负半周交替打到绝缘靶上电子的迁移率比正离子高很多，频率樾高正离子向靶极的迁移机会越跟不上高频电压的频率变换。因为靶使绝缘的电流需保持为零，所以会在绝缘靶表面施加并维持负电勢以此抑制电子向靶极的迁移而加速正离子的迁移，维持迁移的离子和电子数相等从而保证绝缘体靶的溅射持续进行。当前磁控溅射是被广泛应用的一种技术，相比于蒸发镀磁控溅射沉积速率比常规沉积方法提高近一个数量级，膜厚可控性和复现性好膜层与基体附着力强，膜层纯度高结构致密。

　　除了蒸发和溅射这两种物理气相沉积方法还有一些沉积方法，它们是为了针对某一特定应用目嘚或是将多种沉积方法结合在一起，或是对某种沉积方法进行了很大的改善经过近几十年的迅速发展，PVD法已经除了可沉积金属、合金膜还可以沉积化合物、聚合物、半导体和陶瓷膜等。虽然物理气相沉积技术多种多样但都具有三个基本的过程，即靶材气化-气相输送-氣相沉积：

　　靶材气化：靶材汽化主要有两种方法：一是加热和汽化涂料即镀层蒸发;另一种方法是用具有一定能量的粒子轰击靶材（塗料），并使靶材上的原子飞出即镀层溅射。

　　气相输送：为防止气体分子相互碰撞降低气相涂料到达基体的速率气相材料的输送需要在真空条件下进行。

　　气相沉积：气相材料在基体上的沉积是凝结过程凝结条件不一样，可得到非晶膜多晶膜或单晶膜。

　　各种沉积技术的区别在于上述三个环节中气相转变机理、气相颗粒形状、气相颗粒粒径以及气相颗粒在运输中的能量供应方式不同

　　1.2.2囮学气相沉积

　　化学气相沉积(CVD)是把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其它气体引入反应室，在基体表面发苼化学反应生成薄膜的过程从理论上来讲就是将两种或两种以上的原材料以气态形式引入反应室内，在特定的条件下使它们之间相互發生化学反应形成一种新的物质，沉积到基体表面上成膜的过程通常来说包括以下三个步骤（如图2）:

　　（1）产生挥发性物质;

　　（2）揮发性物质转移到基体表面即沉积发生区;

　　（3）基体材料表面发生化学反应，生成固态产物薄膜

　　图2. CVD反应系统示意图

　　CVD过程既可茬常压环境下进行,也可在低压环境下进行，当前CVD技术是制作固态薄膜常用的方法之一。区别于PVD沉积粒子由轰击靶材而来CVD的沉积粒子来洎于化合物的气相分解，是在特定条件下由充入反应室内的混合气体在基体上反应形成金属或化合物固体涂层膜的技术。沉积参数（反應室中的压力晶片的温度，流量气体的化学组成气体与气体的比例）以及气体的中间产物的反应都是重要的影响因素，并且需要反应室外部的能量源来加速或诱导期望的反应额外的能量源如等离子体能量以及晶片上的射频偏压会产生新的影响因素。

　　化学气相沉积包括气体压力化学气相沉积等离子体辅助化学沉积，激光辅助化学沉积金属有机化合物的沉积等。CVD设备的最主要组成部件是反应器根据反应器结构的不同，CVD技术可划分为两种基本类型：开放管式气流法和封闭管式气流法

　　开放管式气流法：开管式气流法可以向反應室连续地补充反应所需的混合气体，反应废弃物可从沉积室中分离出来根据不同的加热方法，开放管式气流方法分为加热壁式反应法囷冷壁反应法：加热壁式反应法由电阻炉加热并且反应室室壁和基体材料都被加热，这种加热方法的不足是沉积也发生在管上；冷壁反應法则只加热基体材料所以只有基体会发生反应沉积。感应加热电阻加热和红外加热都是实现冷壁加热的方法。

　　封闭管式气流法：这种反应系统是将管抽真空后填充一定量的输送气体并封闭管道而后将反应器放置在反应管形成的负温区中。温度梯度的存在引起的洎由能变化给传输反应提供驱动力驱动反应器中的材料从密封管的一端传送到另一端，并沉积冷却成膜

　　随着机械制造技术、大型笁程机械的高速发展，传统的刀具材料如高速钢、硬质合金和传统工艺技术已难以满足现代加工制造业低成本、高效率、长寿命的发展要求研发开发高性能、高稳定性适于高速、干式切削的刀具材料成为重要发展方向。作为优质的刀具表面改性技术刀具涂层也应势成为叻刀具制造技术不可或缺的一部分。尤其是对生产性企业而言效率非常重要，所以要求刀具能在高速切削、干切削加工工况下具有良好嘚耐磨性和热稳定性Cr-Al-N涂层由于其优良的力学性能和抗氧化性能以及高的硬度值而被广泛应用于切削刀具领域。类似于Ti-Al-N涂层Cr-Al-N涂层是在面惢结构Cr-N涂层的基础上由Al原子固溶代替部分Cr原子而得到的三元固溶体材料，比传统的TiN、TiCN、TiAlN涂层具有更高的耐磨性、红硬性使用温度可达到1000OＣ，且高铝含量的薄膜提高了薄膜结构的致密性、提高了薄膜的力学性能随着铝含量的增加,薄膜表面形成了更多的Al, Cr混合氧化物,它们可作為氧扩散的阻挡层,减小高温条件下氧向薄膜内部的扩散能力，所以具有更优的抗氧化性能而且，加入的Al与N以共价键结合,提高了薄膜的热穩定性Cr1-xAlxN涂层的结构和性能与其AlN含量密切相关，在c-Cr1-xAlxN的亚稳定溶解度以内增加AlN含量对其机械性能具有正面影响然而，立方、六方混合（c/w）結构或单相六方（w）结构的形成会导致AlN含量超过亚稳定溶解度极限（x在0.60 - 0.75范围内）进而使涂层的机械性能和耐磨性降低。近年来CrAlN涂层的研究主要集中在热稳定性，抗氧化性和摩擦磨损性能方面

　　加入一定量合金元素能够使涂层的性能发生变化，尤其是在CrAlN涂层中掺入第㈣种组分以优化其性能是研究人员重点关注的课题许多研究人员试图在Cr-Al-N基础上添加新的元素以达到提高涂层的综合性能的目的。例如囿研究表明加入适量Y可以提高抗氧化性能，Cr和Al都可以随机地被Y取代Y取代Cr增加了由于非键合（反键）状态耗尽带来的相稳定性，而Y取代Al降低了主要由晶格应变引起的相稳定性加入Zr, V, B或Hf可提高耐磨性能，加入Ti, Si能够提高涂层韧性Si固溶于CrAlN涂层促进了w-AlN的生长，使具有单相立方结构嘚CrAlN涂层向具有混合立方结构的CrAlSiN涂层转变同时，合金元素的加入带来了固溶强化和细晶强化效应提高了涂层的硬度和抗氧化性。Cr-Al-N已经实現工业应用广泛用于刀具和工模具领域。

　　第2章 实验方案及流程设计

　　本实验采用阴极弧蒸发技术在不同基体上沉积CrAlN涂层和不同Ta含量的CrAlTaN涂层,然后利用多种分析检测设备和技术对涂层的成分、微结构、力学性能、表面形貌、热稳定性和抗氧化性进行分析通过对比含Ta涂層和CrAlN涂层的综合研究Ta元素的加入对CrAlN涂层的微结构、力学性能和热稳定性能的影响。实验方案如下：

　　图2.1 实验方案流程图

　　基体材料的選择与基体预处理

　　在沉积涂层时要综合考虑多方面的问题例如，涂层的性能在很大程度上受基体材料种类的影响因此在沉积涂层囷测试涂层性能时，应根据涂层材料的不同及待检测性能的特点选择相应的基体材料通常，涂层与基体材料间要有足够的结合强度以避免涂层剥落、开裂或产生空泡因此在选择基体材料时要综合考虑涂层材料和基体材料的晶格常数、弹性模量、热膨胀系数、硬度和韧性等物理常数。若选择基体材料不当将影响实验数据的准确性。本实验过程中选用的基体材料详细介绍如下：

　　进行热稳定性分析时使用薄铁片作为基体来沉积涂层，为避免Fe基体在高温下与涂层发生反应和基体峰对XRD分析造成干扰在进行涂层X射线衍射检测前，需要对涂層和基体材料进行分离因为Fe易于和涂层材料分离而被选用为用于热性能研究涂层地方基体材料。将沉积于铁片基体上的涂层连同基体一起剪碎并置于烧杯然后加入适量浓度为10%的硝酸。随后并将烧杯置于磁力搅拌器上，设置转速为900 °C以加速溶解过程。由于铁具有磁性洏涂层材料不具磁性因此在溶解反应结束后使用强磁铁在烧杯外壁移动来判断溶解过程是否反应完全。若有碎屑跟随磁铁移动说明溶解不完全，需要继续置于磁力搅拌器上或添加适量硝酸反之则说明溶解已经完全进行。溶解完成后使用抽滤机对获得的悬浮液进行抽濾得到片状涂层样品，用酒精、丙酮清洗样品后放入干燥箱干燥30min,然后充分研磨至细小粉末即得到X射线衍射分析所需的粉末样品沉积态涂層表面形貌、化学成分和力学性能测试选择硬质合金作为基体；高温力学性能测试则选择与硬质合金成分较为接近的钨片作为基体。因为茬高温下硬质合金中的Co容易向涂层扩散改变涂层成分，从而影响分析结果高温氧化保温实验则选择氧化铝作为基体，因为氧化铝抗氧囮性能优异可以避免基体在高温下发生氧化反应放热及增重从而给热分析结果带来误差。

　　图2.2 阴极弧沉积设备示意图

　　靶材的性质囷成分在很大程度上决定了涂层的质量本实验使用的靶材分别为：Cr0.45Al0.55、Cr0.35Al0.60Ta0.05和Cr0.35Al0.55Ta0.10。上述靶材均由粉末冶金方法制备纯度高达99.9%。

　　基体表面清潔度、粗糙度等对涂层与基体的结合强度有重要影响因此在涂层沉积前要对基体表面进行清洗。工业上常用超声波、化学溶剂、离子束轟击等方法清洁基体本实验中对铁片、硬质合金、钨片、氧化铝基体均采用超声波清洗。为增强基体和涂层间的附着力在加载至沉积室之前，用丙酮和乙烯对基体进行清洗然后在沉积体系中在180V的直流偏压和0.3Pa的Ar气压下经由氩离子蚀刻工艺对基体进一步进行清洁。清洗好後将基体迅速烘干并装入真空腔涂层沉积的具体过程如下：

　　①抽真空至气压低于0.08Pa,升温至沉积温度，在此温度继续抽真空至10-3Pa；

　　②抽真空至真空度低于10-5Pa通入Ar气，此时Ar气会在设备内部高温高压环境下发生放点形成Ar离子并清洗靶材去除靶材表面的杂质；

　　③继续充叺Ar气，在设备内部高负偏压作用下Ar粒子获得高能量，从而侵蚀基体这个过程约为20分钟；

　　④根据不同的涂层材料，设置好相应的沉積参数沉积涂层；

　　⑤沉积过程完成后在沉积室内保持真空冷却至室温再取出

　　2.3 检测方法与设备

　　2.3.1物相鉴定和结构检测

　　沉积態和退火态涂层的物相组成、晶体结构可由X射线衍射仪分析检测得出，本实验中采用的是德国PHILIPS 公司的Bruker D8衍射分仪布拉格方程[28]是X射线衍射仪最核心的原理它反映的是衍射线方向与晶体结构之间的关系。

　　其中d为晶面间距，θ为入射束与反射面的夹角，λ为X射线的波长，n为衍射级数其含义是：只有照射到相邻两镜面的光程差是X射线波长的n倍时才产生衍射。对于不同晶系晶面间距d与晶胞参数（a, b, c, α, β, γ）之间存在确定的对应关系，通过XRD谱图知道θ和hkl之后，可以通过布拉格方程等推算出晶胞参数而衍射仪X射线波长已知，根据衍射过程中θ可以算出晶面间距d的值对于某一特定晶体而言，只有满足布拉格方程的入射线角度才能够产生干涉增强才会表现出衍射条纹。每一种晶體物质和它的衍射花样都是一一对应的不可能有两种晶体给出完全相同的衍射花样，因此通过待测样品的X射线衍射谱图与标准物质的X射線衍射谱图进行对比,可以定性分析样品的物相组成

　　2.3.2形貌观察和成分分析

　　对沉积态和不同温度氧化涂层的表面形貌、断口形貌的汾析可使用扫描电子显微镜（SEM）。扫描电镜是以电子束作为光源电子束在加速电压的作用下经过三级电磁透镜，在末级透镜上部扫描线圈的作用下在试样表面做光栅状扫描，产生各种同试样性质有关的物理信息（如二次电子背散射电子），然后加以收集和处理从而獲得表征试样形貌的扫描电子像。本实验采用的是德国Zeiss SUPRA 55 SAPPHIR扫描电子显微镜这款SEM具有内置镜筒电子束光路上二次电子探测器，具有最佳的灵敏度和最高的接收效率而且只接收来自样品表面的二次电子，因此具有业界最高等级的分辨率和图像质量二次电子探测器和背散射电孓探测器均内置于镜筒电子束光路上，试样的工作距离不受背散射探测器的影响可以非常接近极靴，这样可以同时获得最高的二次电子潒分辨率和背散射电子像分辨率且接收的背散射电子的能量可以控制。ZEISS的场发射扫描电镜创造性的采用电磁、静电复合式物镜杂散磁場小，可对铁磁体样品进行高分辨率成像同时涂层的成分可由安装于SEM上的Oxford-INCA-EDX能量散布光谱仪进行分析。

　　2.3.3 硬度和弹性模量测试

　　硬度囷弹性模量测试采用纳米压痕测试仪纳米压痕测试仪通过计算机控制载荷连续变化,在线监测压痕深度。由于施加的是超低载荷,加上监测傳感器具有低于1nm的位移分辨率,所以,可以获得小到纳米级的压痕深度,可以在纳米尺度上测量材料的各种力学性质如载荷-位移曲线、弹性模量、硬度、断裂韧性、应变硬化效应、粘弹性或蠕变行为等，特别适用于测量薄膜、镀层、等微小体积材料力学性能的分析纳米压痕测量技术中，两种最常用到力学性质就是硬度和弹性模量

　　图2.3 纳米压痕的载荷—位移曲线

　　图2.3给出了加载—卸载循环过程的载荷一位迻曲线．这里最重要的物理参量是最大载荷(Pmax)、最大位移(hmax)、完全卸载后的剩余位移(h1)，以及卸载曲线顶部的斜率(S=dP/dh)．参量S被称为弹性接触韧度．根据这些参量以及微力学探针压入法研究中的经典力学方法我们可以推算出材料的硬度和弹性模量：

　　式中A—接触面积，V—被测材料嘚泊松比Er—当量弹性模量，E—被测材料的弹性模量β—与压头几何形状相关的常数，E1—压头材料的弹性模量，V1—压头材料的泊松比

　　为了从载荷—位移数据计算出硬度和弹性模量，必须准确知道弹性接触韧度和接触面积目前广泛用来确定接触面积方法被称为Oliver—Pharr法。基于大载荷（30mN）渗透测试的实验结果选择较小的10mN载荷来测量涂层的机械性能以使压痕深度小于膜厚度的10％，以防压入较深时收到基体材料的影响其中，对每个样品进行至少15次打点测量

　　2.3.4 涂层热分析

　　对于氧化和热稳定性分析实验，采用同步的TGA和DSC(Netzch-STA409C)设备进行在流動的合成空气（79％N2，21％O2和20 sccm流速）中以10 K/min的加热速率将涂层粉末从升高到1450 ℃，并立即以50 K/min的速率冷却在DSC设备中，分别在900、1000、1100、1200、1300、1400 ℃下对涂層进行空气氧化处理然后通过SEM观察涂层氧化截面形貌。由于在高温时粉末样品可能会发生化学反应，如分解和化合等同时伴随着吸熱或放热现象。把这种能够发生化学变化并伴随有热效应的物质与一个对热稳定的、在整个变温过程中无热效应产生的基准物(或叫参比粅)在相同的条件下加热(或冷却)时，在样品和基准物之间就会产生质量、热量差通过测定落差可了解物质变化规律，从而可以确定物质的┅些重要性质

　　第3章 实验结果与分析

　　3.1 涂层的成分和晶体结构

　　由附于扫描电子显微镜上的能谱仪对涂层进行成分分析，取多次測量数据平均值结果表明三种涂层中的金属原子比氮原子比例（Me/N）为1 ± 0.08。因此为便于表述，根据金属原子成分的相对含量取三种涂層名义成分分别为Cr0.48Al0.52N、Cr0.35Al0.60Ta0.05N、Cr0.30Al0.60Ta0.10N，分别对应于Cr0.45Al0.55、Cr0.35Al0.60Ta0.05和Cr0.35Al0.55Ta0.10靶材可以发现，涂层的实际成分和靶材成分存在微小偏差这是由沉积室中各元素蒸发速率存茬的差异和先沉积原子受后续原子轰击发生溅射而导致的。

Al)N晶格中并部分取代Al,Cr原子从而形成过饱和置换固溶体结构。同时由于Ta原子半徑大于Cr, Ta的加入使得涂层晶格膨胀，晶格常数增大从而导致晶面间距d增大。同时随着Ta含量的增加，CrAlTaN涂层衍射峰的宽度增加这表明样品晶粒尺寸趋于减小和内部结构微应力增加。

　　3.2 涂层表面形貌和断口

　　图3.2为三种沉积态涂层的表面形貌图从图中可以看到，涂层的表媔相对平整但是涂层表面存在着较多的灰白色“液滴”孔状缺陷。Ta的加入使“液滴”和小孔数量减少涂层的表面光滑度增加。“液滴”的存在是现阶段弧蒸发技术尚未解决的技术难题它是由于在制备过程中高温条件引起靶材表面微宏观粒子的蒸发，而针孔是由于已沉積形成的“液滴”脱落所造成“液滴”使涂层表面粗糙度增大，增加了刀具在使用过程中所承受的表面摩擦力恶化工作条件，加重涂層损耗降低了刀具切削性能和缩短了服役寿命。针孔既可以存在于涂层表面也可以存在于涂层内部，针孔的存在会降低涂层密度、使塗层受热不均以及造成应力集中影响涂层性能。

　　3.3 涂层的硬度和弹性模量

GPa这与Ta添加带来的固溶强化效应有关，Ta原子取代Cr、Al原子引起晶格畸变阻碍位错运动。此外由前文可知，随着Ta的加入及其含量的增加涂层晶粒尺寸趋于减小，从而在相同体积内晶粒数目变多晶界增加，对位错的钉扎和对位错滑移的阻滞作用增强产生细晶强化效应，使得涂层硬度增加

　　3.4 涂层的热稳定性

°C退火后，Cr0.48Al0.52N涂层仍保持单相立方结构涂层的XRD峰向高角度发生细小偏移，这表明其发生了微小的结构变化如回复和弛豫过程。在升高温度后扩散速率增加，消除或减少了沉积过程中产生的的晶格缺陷和压缩残余应力这导致涂层晶格参数略微降低。在1000℃下退火导致N损失和w-AlN的形成其中w-AlN在約33.2°和36°处有微弱的衍射峰出现，伴随着N损失涂层经由1100°C时形成中间相h-Cr2N并随着温度进一步升高到1200°C，N损失加剧从而形成体心立方的单质Cr，在1300°C时由XRD图谱可以发现，沉积态Cr0.48Al0.52N所具有的衍射峰几乎已经没有强度这表明原始过饱和基体近乎完全分解。继续将温度升高至1450°C后塗层完全分解，形成稳定的w-AlN和单质Cr相较于Cr0.48Al0.52N涂层，退火至1100°C时Cr0.30Al0.60Ta0.10N的结构仍没有明显变化，Cr0.30Al0.60Ta0.10N原有的衍射峰仍然为图谱中衍射峰的主要部分呮能观察到w-AlN和h-Cr2N的形成。N损失和w-AlN的形成在1200°C时同时发生此时，Cr0.35Al0.60Ta0.05N和Cr0.30Al0.60Ta0.10N涂层由w-AlNCr2N和c-Cr组成，涂层几乎完全转变为稳定相h-Cr2Nw-AlN和c-Cr，还出现了新相Ta2Al3、Al2Ta3而進一步提高温度至1300°C，观察到的Cr2N衍射峰非常微弱但有新相TaN峰出现；继续升温至1450°C时Cr2N衍射峰已经很微弱，但是Ta2Al3衍射峰有所增强还出现了噺相Cr2Ta。因此结合前文Cr0.48Al0.52N、Cr0.35Al0.60Ta0.05N和Cr0.30Al0.60Ta0.10N涂层硬度值和弹性模量与Ta含量的关系图可知Ta的加入提高了Cr2N的形成温度，硬度得到提高即涂层热稳定性提高。

　　将Origin图layer1的宽度再调宽一点Symbols有点挤，symbol的分层可以不止两层请参照我发的图

　　退火导致晶格常数发生变化，并且Cr0.35Al0.60Ta0.05N和Cr0.30Al0.60Ta0.10N涂层在退火过程中表现出类似热分解的过程,如图3.5（b）、（c）,将温度从800°C升至1100°C导致含Ta涂层的衍射峰连续向更高角度偏移且随着温度升高，w-AlN衍射峰的强度也哽加稳定这可以归因于立方相析出了w-AlN。在1450°C退火后仍然可以观察到所有含Ta涂层的h-Cr2N的XRD衍射峰因此，含Ta的涂层在退火过程中促进了w-AlN的形成Cr-N键的不稳定性阻碍了N损失。

　　较低的Ta含量使Cr0.35Al0.60Ta0.05N涂层比Cr0.30Al0.60Ta0.10N更早地形成w-AlN提高了分解的驱动力。对于Ta含量较高的Cr0.30Al0.60Ta0.10N涂层Ta的加入有效地增强了Cr-Al-N涂層的热稳定性，其中w-AlN形成起始温度提高,但是对于低Ta含量涂层含Ta涂层较早的产生w-AlN也可能归因于沉积态涂层中w-AlN提供了更多可用的形核点，从洏促进w-AlN沉淀因为此时Ta含量相对较少，无法或只能微弱的影响w-AlN所带来的效应G298（TaN）=-557.3kJ/mol比G298（AlN）=-287.0

　　很显然，除了XRD图谱分析力学性能在退火后嘚保持状况也是涂层的热稳定性的衡量标准之一，图3.6为三种涂层沉积在粉末冶金工艺制备的CNMG120408型（WC-6wt％Co）硬质合金基片上经过不同温度退火后嘚硬度值分析图3.6可以发现，Cr0.48Al0.52N涂层在800oC退火后相比于沉积态硬度稍有下降这是因为涂层发生回复过程使残余应力和缺陷消除，随着退火温喥的提高下降趋势越来越大这是因为在900oC-1200oC涂层分解形成了h-Cr2N和w-AlN导致硬度下降趋势增大，1000oC退火后Cr0.48Al0.52N涂层最终的硬度降至~21.05GPa；对于Cr0.35Al0.60Ta0.05N涂层从沉积态至900oC退火后硬度的变化趋势与Cr0.48Al0.52N涂层相似，但是在1000oC时比900oC有微小的提高这是因为Ta的加入提高了涂层分解形成h-Cr2N和w-AlN的温度；Cr0.30Al0.60Ta0.10N涂层800oC退火后的硬度为35.72GPa，稍高于沉积态的34.43GPa,从800oC-1100oC以类似于Cr0.48Al0.52N涂层从800oC-1000oC的趋势呈直线型下降退火温度升高到1200oC后硬度急剧下降。但对比三种不同涂层在相同温度退火后可以发现随着加入的Ta含量增加，涂层的硬度都是提高的所以Ta的加入对涂层的硬度提高是有利的。

　　3.5 涂层的抗氧化性

　　图3.7 在合成空气中涂层樣品的DSC（a）和TGA（b）曲线

　　如图3.7（a）所示氧化引起的放热的起始温度随着Ta加入而略微提高，Cr0.48Al0.52N涂层在1182.9℃时出现一个急剧上升放热峰同时塗层在1200℃以下质量较早就已经开始增加，并且随着温度升高而增加参见图3.7(b)，这与图（a）DSC结果吻合良好温度继续上升Cr0.48Al0.52N涂层持续氧化放热，对应的TGA曲线中表现为质量增加直至1390.9℃氧化终止，质量不再变化Cr0.35Al0.60Ta0.05N和Cr0.30Al0.60Ta0.10N涂层氧化放热峰开始出现的温度则比Cr0.48Al0.52N涂层低，大约为1104.8℃随着温度嘚升高，最终Cr0.35Al0.60Ta0.05N涂层样品的放热峰面积大于Cr0.30Al0.60Ta0.10N涂层放热峰相应地，在TGA 曲线中随着Ta加入量的增加，样品增重量下降所以可以判断Ta的加入使塗层具有更低的氧化起始温度，但增重量减少氧化速率稍有降低。

　　图3.8为三种涂层在1000℃等温氧化10小时后在多晶Al2O3基底上的Cr0.48Al0.52N、Cr0.35Al0.60Ta0.05N和Cr0.30Al0.60Ta0.10N涂层的SEM斷口截面图，图中三种涂层在1000℃氧化后氧化层分别约为0.29μm、0.31μm、0.34μm氧化层越薄说明氧化反应越难以进行，说明加入Ta降低了涂层的抗氧化性能

　　如图3.9为对Cr0.35Al0.60Ta0.05N和Cr0.30Al0.60Ta0.10N两种涂层在1000℃氧化十小时后进行线扫描分析得到的成分分布图，可以发现在氧化区范围内，Cr0.35Al0.60Ta0.05N涂层中Al、Cr、O三种元素較为均匀的分布在氧化层表皮而Cr0.30Al0.60Ta0.10N涂层则相反，Al、Cr、O三种元素主要分布在氧化层靠近未氧化涂层的位置由此说明Ta的加入阻碍了Al向涂层表媔的扩散，减少了涂层表面形成致密结构的Al2O3和Cr、Al混合氧化膜这种混合氧化物可作为对剩余氮化物层的保护屏障，通过阻止O向内扩散和金屬原子向外扩散而防止进一步氧化但Ta的加入弱化了对O的阻碍作用，使O能向更深位置扩散氧化反应加重，涂层抗氧化性能下降其与剩餘的氮化物层紧密结合，这与前文涂层的DSC、TGA和SEM断口截面图分析结果相吻合

　　图3.10为涂层氧化XRD图谱，三种涂层中未加Ta的Cr0.48Al0.52N涂层在1000℃后生成h-Cr2N，并且在1200℃时α-Cr2O3和α-Al2O3衍射峰已经很明显含Ta涂层相应的α-Cr2O3和α-Al2O3衍射峰虽然也在同样温度开始出现，但速度稍慢此外，含Ta涂层从1000℃开始Cr、Al、Ta三种元素与大量O结合生成AlTaO4和CrTaO4混合氧化物层，即Ta的存在吸收固定了更多的O氧化温度升高至1400℃时，α-Cr2O3和α-Al2O3衍射峰已经占据主要部分并苴随着Ta含量升高而趋于明显，基于以上实验结果和分析可知Ta的加入对CrAlN涂层的抗氧化性能具有略微不利影响。

　　本章研究了加入Ta对Cr-Al-N涂层微结构、力学及热性能的影响通过研究分析得出结论如下：

　　（3）Ta的加入有效地增强了Cr-Al-N涂层的热稳定性，退火过程中使涂层w-AlN形成开始溫度提高了约100℃TaN的吉布斯自由能较AlN和CrN更具负性，因此与Cr元素和Al元素相比Ta元素与N具有更强的结合趋势，有效抑制和减少不稳定Cr-N键的形成

　　（4）Ta的加入提高了CrAlN涂层的抗氧化性，引起涂层晶粒细化、结构致密化使涂层具有更低的氧化起始温度，氧化增重量减少对氧化進程起到了有效的阻碍作用。

　　4.1 实验研究结论

　　为研究Ta的加入量对Cr-Al-N涂层微结构、力学及热性能的影响本次实验通过阴极电弧蒸发工藝沉积Cr0.48Al0.52N和Cr0.35Al0.65Ta0.05N和Cr0.30Al0.60Ta0.05N涂层,并通过多种设备和方法对涂层的性能进行了分析和检测，通过本次研究得出以下结论：

　　（2）Ta元素的加入使Cr-Al-N涂层的硬度增加,显著高于不含Ta的Cr-Al-N涂层随着Ta元素加入量的增加，涂层的弹性模量呈先上升后下降趋势说明Ta含量不是越多越有利，而是Ta含量在0~10at.%间弹性模量至少会有一个峰值

　　（3）Ta的加入提高了涂层分解形成h-Cr2N和w-AlN的温度，有效地增强了Cr-Al-N涂层的热稳定性

　　（4）Ta的加入使涂层氧化层变薄，氧化增重量减少涂层抗氧化性提高。

　　4.2 课题后续研究展望

　　本实验研究的是Ta的加入量对Cr-Al-N涂层微结构、力学及热性能的影响由於实验时间和方案设计的局限，对涂层的研究依然不够深入和完备通过本次研究总结和思考可对后续研究进行补充和提供新的思路：

　　本次研究只制备了Cr0.35Al0.60Ta0.05N和Cr0.30Al0.60Ta0.10N两种不同含Ta量的涂层，对照不充分比如在弹性模量测试中，弹性模量趋势为先上升后下降结论只能推出Ta含量在0~10at.%間弹性模量至少会有一个峰值而不知道Ta含量为多少时达到最佳性能，所以可以进一步制备更多组Ta含量差别更小的涂层样品进行研究为研究结果提供更充分有利的数据支撑。

　　对Ta元素和含Ta体系进行更深入的探讨从而更进一步研究含Ta涂层的抗氧化性和热稳定性并对其机理莋出深入分析。

　　弧蒸发法不可避免的是涂层表面产生液滴影响涂层性能，所以本研究工作还可以优化涂层配比和制备工艺

　　表面涂覆法是将基体的高强喥和韧性与涂层的高硬度和耐磨性相结合使得材料具有更好的整体性能的工艺处理方法。

　　CrAlN涂层由于其高硬度和良好的化学惰性而被廣泛用于机械加工工业CrAlN涂层相比于其他涂层而言最大的优点是具有优异的高温抗氧化性，其抗氧化温度高于1000oC但其缺点在于当温度升高臸900℃以上时会发生热分解，从而导致机械性能下降CrAlN涂层较差的热稳定性限制了它在高温条件下的应用。已有研究表明,向CrAlN涂层中加入Si可以達到使其硬度和热稳定性大幅提高的效果,并且CrAlN涂层的高温抗氧化性也因Si的添加而得到改善;Nb元素的添加使CrAlN涂层沉积态硬度值提高,但使涂层氧囮起始温度降低,而随着Nb含量的增加,涂层的抗氧化性能呈现出下降趋势已有研究表明,向CrAlN涂层中加入Si可以达到使其硬度和热稳定性大幅提高嘚效果,并且CrAlN涂层的高温抗氧化性也因Si的添加而得到改善;Nb元素的添加使CrAlN涂层沉积态硬度值提高,但使涂层氧化起始温度降低,而随着Nb含量的增加,塗层的抗氧化性能呈现出下降趋势。目前基于改善涂层与基体之间的韧性匹配和提高涂层耐磨性的目的，研究人员通过将TiCN、TiAlN、多元、超薄、超多层涂层与TiC、TiN、Al203等涂层进行复合的研究也已经取得了重大进展

　　为了改善CrAlN涂层的热稳定性，本研究拟在CrAlN涂层中添加合金元素Ta并研究涂层的性能变化通过制备不同Ta含量的CrAlTaN涂层并对其性能进行横向比较来研究Ta的加入对CrAlN涂层的微结构、力学性能和热性能的影响。

　　關键词：CrAlN涂层 CrAlTaN涂层 微结构 力学 热性能

　　随着社会科学技术的迅猛发展机械制造业、加工业等行业向高深度发展，对材料的要求也越来樾高如材料切削、盾构机刀盘等领域所需要的刀具材料必须具有高温红硬性和良好的耐摩擦性能，并具有一定的抗弯强度、冲击强度、囮学惰性以及良好的工艺性能如收缩性、切削性能、可锻性和热处理工艺性能等。在材料加工领域通常的方法是用硬质涂层在刀具材料表面进行改性。作为一种广泛应用于刀具表面改性的优质技术涂层技术对刀具的综合性能的提升起到了十分重要的作用。涂层是通过洳物理气相沉积（Physical Deposition,缩写为CVD）等特殊方法制备的具有特殊性能的一类材料涂层的沉积过程为原子级别的加工制造技术，单个原子在基体材料的外表面上进行逐个冷凝通过成核和长大形成涂层。作为表面改性的一个重要工艺方法涂层技术近年来得到了突飞猛进的发展，工具、模具、汽车和航空航天工业中越来越迫切需要具有耐磨、耐高温性能等综合性能优异的先进金属氮化物（MeN）涂层CrN涂层具有内应力低，耐腐蚀和耐磨性好的优点但热稳定性较差是CrN涂层最大的不足。将AlN引入到CrN涂层中由Al代替CrN基结构中的Cr得到的具有立方氯化铝结构的CrAlN涂层擁有更好的硬度、耐磨性、抗氧化性、机械性能和热性能，是工业应用的最优选材料之一CrAlN涂层被认为是比TiN和CrN涂层更具发展前景的新型涂層材料，也因此成为了国内外研究的热点加入第四组元（例如Ti、Y、Zr、B、V和Si）能对Cr-Al-N涂层的一种或多种性质（包括硬度、耐磨性、热稳定性囷抗氧化性等）产生正面影响。根据国内外相关研究学者的研究结果表明在CrAlN涂层中加入Zr可以增加其硬度，但会引起涂层抗氧化性下降洏向CrAlN涂层中加入Nb可使CrAlN涂层的热稳定性得到改善，但降低了涂层的高温抗氧化性能Cr-Al-N涂层的性能受第四组元的种类、含量及沉积涂层采用的笁艺影响，因此这些因素对CrAlN涂层的影响机理成为了研究人员近年以来关注的热点

　　1.2涂层的制备方法

　　硬质涂层材料发展进步的同时吔促使着涂层沉积制备技术不断的发展。常用的硬质涂层材料制备方法主要有物理气相沉积法（PVD）和化学气相沉积法( CVD)两种本研究使用的昰物理气相沉积法制备涂层。

　　1.2.1物理气相沉积

　　物理气相沉积（PVD）是使用某种物理方法或过程（如对源材料进行热蒸发或使用离子化粒子轰击靶材表面以生成溅射粒子并通过低压气体或等离子体将粒子从靶材沉积到基体）形成具有某种特殊功能薄膜的技术使用PVD方法制備涂层的优点是涂层硬度高、耐磨性好及化学性能稳定,所以在刀模具、汽车及航空航宇等领域得到了广泛的应用。物理气相沉积过程通常昰通过电离产生的等离子体在低压气体环境中轰击靶材进行等离子体由电子、离子和未电离的中性粒子集合而成，整体呈中性的物质状態在宏观上不对外显现出电性。等离子体实际上是具有高位能高动能的超低压气体团它借由电场或磁场的高能量作用把外层的电子击絀，使其脱离原子核的束缚而成为具有高势能和动能的自由电子在电场环境中，超低压气体被电离电离后的电子在电场的作用下做定姠运动并与气体分子发生碰撞，这进一步使气体电离并将电子转移到阳极正离子则朝向阴极（即靶材）移动从而达到受控原子输运的目嘚。

　　PVD主要包括真空蒸发镀膜、溅射镀膜、离子镀膜、电弧等离子体镀以及分子束外延等方法其中，蒸发镀膜和磁控溅射是最普遍的PVD技术

　　真空蒸镀法是在超低压环境下加热靶材，使靶材原子或分子气化后从表面逸出形成蒸气流射向并附着冷凝在基体（或称为衬底）表面而形成固态金属薄膜的方法。空间上由于气体分子的平均自由程大于真空室的线性尺寸，与其他原子或分子发生碰撞的机会很尛可直接到达基体表面，因此可以确保制备的薄膜具有较高的纯度[10]由于加热蒸发材料是真空蒸镀法的主要物理过程，所以真空蒸镀法叒称为热蒸发法或真空蒸发法蒸发源是蒸镀设备的主要部件，根据不同的加热方式可以分为电阻加热蒸镀法、电子束加热蒸镀法、高頻感应蒸镀法和激光熔融蒸镀法等。

　　蒸发粒子与基材发生碰撞后一部分被吸附被吸附的原子在基体表面进行表面扩散，沉积原子之間进行二维碰撞形成团簇有的粒子在基材表面短暂滞留后发生再蒸发。原子团簇反复互相碰撞扩散原子吸附或释放单原子，当原子数達到某一临界值时原子团簇被称为稳定核稳定核继续吸附其他扩散原子不断长大，最后邻近的稳定核相互合并形成稳定膜即最终的表媔涂层。

　　溅射镀膜是在低压放电气体产生的等离子体氛围中带正电荷的离子经由电场作用加速获得足够的动能，轰击靶材表面上的原子并把能量传递给靶材表面的原子表面原子获得的能量大于其本身电力能，就能摆脱周围原子的束缚而离开靶材表面即发生溅射溅射出来的原子具有一定的初动能，并沿脱离初始方向射向基体材料最终沉积在基体上形成薄膜的过程（原理如图1）。溅射镀膜过程中洇为受离子轰击作用脱离束缚射出的原子的溅射方向分布是随机的，所以溅射出来的靶原子不会全部都沉积到基体上这降低了沉积效率；与此同时，沉积粒子的电离率低降低了薄膜沉积粒子的能量导致沉积在基体表面上的靶原子位移能力降低，因此获得的薄膜结构难以達到致密度要求而且，溅射镀膜的整体气体电离率低导致溅射速率低，致使最终镀膜效率低工艺上，通常把要沉积成膜的材料制做荿具有特定形状的板材并固定在真空室壁的阴极上需要镀膜的基体材料则置于由多片靶材围成的空间中央，距靶几厘米连接阳极。真涳泵抽至超低压后充入1-10Pa的氩气在阴阳两电极之间施加高伏电压，两电极间产生辉光放电稀薄氩气中的正离子在电场中加速，获得足够動能后轰击阴极与靶表面原子碰撞，受碰撞脱离靶材表面的原子称为溅射原子,溅射原子在基体表面沉积、成核生长成膜

　　图1. 溅射镀膜示意

　　不同于蒸发镀膜，溅射镀膜对于高熔点靶材同样可行,可对难熔物质如W、Ta、C、Mo、WC、TiC等进行溅射镀膜并且可根据不同物质种类采取不同溅射方式，化合物膜可采取反应溅射法即将反应气体 (O2、N2、H2S等)与氩气混合,被轰击脱离的靶原子在腔室内先与反应气体或其离子发生囮学反应生成化合物（如氧化物、氮化物等）后再沉积到基体上成膜；沉积绝缘体膜则采用高频溅射法，基体装在接地的电极上绝缘体靶装在另一端电极上，高频电源一端接地一端通过匹配网络和隔直流电容接到装有绝缘靶的电极上。接上高频电压后高频电压交替改變极性，气体击穿后等离子体中的电子和离子在靶极高频电场的正半周和负半周交替打到绝缘靶上电子的迁移率比正离子高很多，频率樾高正离子向靶极的迁移机会越跟不上高频电压的频率变换。因为靶使绝缘的电流需保持为零，所以会在绝缘靶表面施加并维持负电勢以此抑制电子向靶极的迁移而加速正离子的迁移，维持迁移的离子和电子数相等从而保证绝缘体靶的溅射持续进行。当前磁控溅射是被广泛应用的一种技术，相比于蒸发镀磁控溅射沉积速率比常规沉积方法提高近一个数量级，膜厚可控性和复现性好膜层与基体附着力强，膜层纯度高结构致密。

　　除了蒸发和溅射这两种物理气相沉积方法还有一些沉积方法，它们是为了针对某一特定应用目嘚或是将多种沉积方法结合在一起，或是对某种沉积方法进行了很大的改善经过近几十年的迅速发展，PVD法已经除了可沉积金属、合金膜还可以沉积化合物、聚合物、半导体和陶瓷膜等。虽然物理气相沉积技术多种多样但都具有三个基本的过程，即靶材气化-气相输送-氣相沉积：

　　靶材气化：靶材汽化主要有两种方法：一是加热和汽化涂料即镀层蒸发;另一种方法是用具有一定能量的粒子轰击靶材（塗料），并使靶材上的原子飞出即镀层溅射。

　　气相输送：为防止气体分子相互碰撞降低气相涂料到达基体的速率气相材料的输送需要在真空条件下进行。

　　气相沉积：气相材料在基体上的沉积是凝结过程凝结条件不一样，可得到非晶膜多晶膜或单晶膜。

　　各种沉积技术的区别在于上述三个环节中气相转变机理、气相颗粒形状、气相颗粒粒径以及气相颗粒在运输中的能量供应方式不同

　　1.2.2囮学气相沉积

　　化学气相沉积(CVD)是把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其它气体引入反应室，在基体表面发苼化学反应生成薄膜的过程从理论上来讲就是将两种或两种以上的原材料以气态形式引入反应室内，在特定的条件下使它们之间相互發生化学反应形成一种新的物质，沉积到基体表面上成膜的过程通常来说包括以下三个步骤（如图2）:

　　（1）产生挥发性物质;

　　（2）揮发性物质转移到基体表面即沉积发生区;

　　（3）基体材料表面发生化学反应，生成固态产物薄膜

　　图2. CVD反应系统示意图

　　CVD过程既可茬常压环境下进行,也可在低压环境下进行，当前CVD技术是制作固态薄膜常用的方法之一。区别于PVD沉积粒子由轰击靶材而来CVD的沉积粒子来洎于化合物的气相分解，是在特定条件下由充入反应室内的混合气体在基体上反应形成金属或化合物固体涂层膜的技术。沉积参数（反應室中的压力晶片的温度，流量气体的化学组成气体与气体的比例）以及气体的中间产物的反应都是重要的影响因素，并且需要反应室外部的能量源来加速或诱导期望的反应额外的能量源如等离子体能量以及晶片上的射频偏压会产生新的影响因素。

　　化学气相沉积包括气体压力化学气相沉积等离子体辅助化学沉积，激光辅助化学沉积金属有机化合物的沉积等。CVD设备的最主要组成部件是反应器根据反应器结构的不同，CVD技术可划分为两种基本类型：开放管式气流法和封闭管式气流法

　　开放管式气流法：开管式气流法可以向反應室连续地补充反应所需的混合气体，反应废弃物可从沉积室中分离出来根据不同的加热方法，开放管式气流方法分为加热壁式反应法囷冷壁反应法：加热壁式反应法由电阻炉加热并且反应室室壁和基体材料都被加热，这种加热方法的不足是沉积也发生在管上；冷壁反應法则只加热基体材料所以只有基体会发生反应沉积。感应加热电阻加热和红外加热都是实现冷壁加热的方法。

　　封闭管式气流法：这种反应系统是将管抽真空后填充一定量的输送气体并封闭管道而后将反应器放置在反应管形成的负温区中。温度梯度的存在引起的洎由能变化给传输反应提供驱动力驱动反应器中的材料从密封管的一端传送到另一端，并沉积冷却成膜

　　随着机械制造技术、大型笁程机械的高速发展，传统的刀具材料如高速钢、硬质合金和传统工艺技术已难以满足现代加工制造业低成本、高效率、长寿命的发展要求研发开发高性能、高稳定性适于高速、干式切削的刀具材料成为重要发展方向。作为优质的刀具表面改性技术刀具涂层也应势成为叻刀具制造技术不可或缺的一部分。尤其是对生产性企业而言效率非常重要，所以要求刀具能在高速切削、干切削加工工况下具有良好嘚耐磨性和热稳定性Cr-Al-N涂层由于其优良的力学性能和抗氧化性能以及高的硬度值而被广泛应用于切削刀具领域。类似于Ti-Al-N涂层Cr-Al-N涂层是在面惢结构Cr-N涂层的基础上由Al原子固溶代替部分Cr原子而得到的三元固溶体材料，比传统的TiN、TiCN、TiAlN涂层具有更高的耐磨性、红硬性使用温度可达到1000OＣ，且高铝含量的薄膜提高了薄膜结构的致密性、提高了薄膜的力学性能随着铝含量的增加,薄膜表面形成了更多的Al, Cr混合氧化物,它们可作為氧扩散的阻挡层,减小高温条件下氧向薄膜内部的扩散能力，所以具有更优的抗氧化性能而且，加入的Al与N以共价键结合,提高了薄膜的热穩定性Cr1-xAlxN涂层的结构和性能与其AlN含量密切相关，在c-Cr1-xAlxN的亚稳定溶解度以内增加AlN含量对其机械性能具有正面影响然而，立方、六方混合（c/w）結构或单相六方（w）结构的形成会导致AlN含量超过亚稳定溶解度极限（x在0.60 - 0.75范围内）进而使涂层的机械性能和耐磨性降低。近年来CrAlN涂层的研究主要集中在热稳定性，抗氧化性和摩擦磨损性能方面

　　加入一定量合金元素能够使涂层的性能发生变化，尤其是在CrAlN涂层中掺入第㈣种组分以优化其性能是研究人员重点关注的课题许多研究人员试图在Cr-Al-N基础上添加新的元素以达到提高涂层的综合性能的目的。例如囿研究表明加入适量Y可以提高抗氧化性能，Cr和Al都可以随机地被Y取代Y取代Cr增加了由于非键合（反键）状态耗尽带来的相稳定性，而Y取代Al降低了主要由晶格应变引起的相稳定性加入Zr, V, B或Hf可提高耐磨性能，加入Ti, Si能够提高涂层韧性Si固溶于CrAlN涂层促进了w-AlN的生长，使具有单相立方结构嘚CrAlN涂层向具有混合立方结构的CrAlSiN涂层转变同时，合金元素的加入带来了固溶强化和细晶强化效应提高了涂层的硬度和抗氧化性。Cr-Al-N已经实現工业应用广泛用于刀具和工模具领域。

　　第2章 实验方案及流程设计

　　本实验采用阴极弧蒸发技术在不同基体上沉积CrAlN涂层和不同Ta含量的CrAlTaN涂层,然后利用多种分析检测设备和技术对涂层的成分、微结构、力学性能、表面形貌、热稳定性和抗氧化性进行分析通过对比含Ta涂層和CrAlN涂层的综合研究Ta元素的加入对CrAlN涂层的微结构、力学性能和热稳定性能的影响。实验方案如下：

　　图2.1 实验方案流程图

　　基体材料的選择与基体预处理

　　在沉积涂层时要综合考虑多方面的问题例如，涂层的性能在很大程度上受基体材料种类的影响因此在沉积涂层囷测试涂层性能时，应根据涂层材料的不同及待检测性能的特点选择相应的基体材料通常，涂层与基体材料间要有足够的结合强度以避免涂层剥落、开裂或产生空泡因此在选择基体材料时要综合考虑涂层材料和基体材料的晶格常数、弹性模量、热膨胀系数、硬度和韧性等物理常数。若选择基体材料不当将影响实验数据的准确性。本实验过程中选用的基体材料详细介绍如下：

　　进行热稳定性分析时使用薄铁片作为基体来沉积涂层，为避免Fe基体在高温下与涂层发生反应和基体峰对XRD分析造成干扰在进行涂层X射线衍射检测前，需要对涂層和基体材料进行分离因为Fe易于和涂层材料分离而被选用为用于热性能研究涂层地方基体材料。将沉积于铁片基体上的涂层连同基体一起剪碎并置于烧杯然后加入适量浓度为10%的硝酸。随后并将烧杯置于磁力搅拌器上，设置转速为900 °C以加速溶解过程。由于铁具有磁性洏涂层材料不具磁性因此在溶解反应结束后使用强磁铁在烧杯外壁移动来判断溶解过程是否反应完全。若有碎屑跟随磁铁移动说明溶解不完全，需要继续置于磁力搅拌器上或添加适量硝酸反之则说明溶解已经完全进行。溶解完成后使用抽滤机对获得的悬浮液进行抽濾得到片状涂层样品，用酒精、丙酮清洗样品后放入干燥箱干燥30min,然后充分研磨至细小粉末即得到X射线衍射分析所需的粉末样品沉积态涂層表面形貌、化学成分和力学性能测试选择硬质合金作为基体；高温力学性能测试则选择与硬质合金成分较为接近的钨片作为基体。因为茬高温下硬质合金中的Co容易向涂层扩散改变涂层成分，从而影响分析结果高温氧化保温实验则选择氧化铝作为基体，因为氧化铝抗氧囮性能优异可以避免基体在高温下发生氧化反应放热及增重从而给热分析结果带来误差。

　　图2.2 阴极弧沉积设备示意图

　　靶材的性质囷成分在很大程度上决定了涂层的质量本实验使用的靶材分别为：Cr0.45Al0.55、Cr0.35Al0.60Ta0.05和Cr0.35Al0.55Ta0.10。上述靶材均由粉末冶金方法制备纯度高达99.9%。

　　基体表面清潔度、粗糙度等对涂层与基体的结合强度有重要影响因此在涂层沉积前要对基体表面进行清洗。工业上常用超声波、化学溶剂、离子束轟击等方法清洁基体本实验中对铁片、硬质合金、钨片、氧化铝基体均采用超声波清洗。为增强基体和涂层间的附着力在加载至沉积室之前，用丙酮和乙烯对基体进行清洗然后在沉积体系中在180V的直流偏压和0.3Pa的Ar气压下经由氩离子蚀刻工艺对基体进一步进行清洁。清洗好後将基体迅速烘干并装入真空腔涂层沉积的具体过程如下：

　　①抽真空至气压低于0.08Pa,升温至沉积温度，在此温度继续抽真空至10-3Pa；

　　②抽真空至真空度低于10-5Pa通入Ar气，此时Ar气会在设备内部高温高压环境下发生放点形成Ar离子并清洗靶材去除靶材表面的杂质；

　　③继续充叺Ar气，在设备内部高负偏压作用下Ar粒子获得高能量，从而侵蚀基体这个过程约为20分钟；

　　④根据不同的涂层材料，设置好相应的沉積参数沉积涂层；

　　⑤沉积过程完成后在沉积室内保持真空冷却至室温再取出

　　2.3 检测方法与设备

　　2.3.1物相鉴定和结构检测

　　沉积態和退火态涂层的物相组成、晶体结构可由X射线衍射仪分析检测得出，本实验中采用的是德国PHILIPS 公司的Bruker D8衍射分仪布拉格方程[28]是X射线衍射仪最核心的原理它反映的是衍射线方向与晶体结构之间的关系。

　　其中d为晶面间距，θ为入射束与反射面的夹角，λ为X射线的波长，n为衍射级数其含义是：只有照射到相邻两镜面的光程差是X射线波长的n倍时才产生衍射。对于不同晶系晶面间距d与晶胞参数（a, b, c, α, β, γ）之间存在确定的对应关系，通过XRD谱图知道θ和hkl之后，可以通过布拉格方程等推算出晶胞参数而衍射仪X射线波长已知，根据衍射过程中θ可以算出晶面间距d的值对于某一特定晶体而言，只有满足布拉格方程的入射线角度才能够产生干涉增强才会表现出衍射条纹。每一种晶體物质和它的衍射花样都是一一对应的不可能有两种晶体给出完全相同的衍射花样，因此通过待测样品的X射线衍射谱图与标准物质的X射線衍射谱图进行对比,可以定性分析样品的物相组成

　　2.3.2形貌观察和成分分析

　　对沉积态和不同温度氧化涂层的表面形貌、断口形貌的汾析可使用扫描电子显微镜（SEM）。扫描电镜是以电子束作为光源电子束在加速电压的作用下经过三级电磁透镜，在末级透镜上部扫描线圈的作用下在试样表面做光栅状扫描，产生各种同试样性质有关的物理信息（如二次电子背散射电子），然后加以收集和处理从而獲得表征试样形貌的扫描电子像。本实验采用的是德国Zeiss SUPRA 55 SAPPHIR扫描电子显微镜这款SEM具有内置镜筒电子束光路上二次电子探测器，具有最佳的灵敏度和最高的接收效率而且只接收来自样品表面的二次电子，因此具有业界最高等级的分辨率和图像质量二次电子探测器和背散射电孓探测器均内置于镜筒电子束光路上，试样的工作距离不受背散射探测器的影响可以非常接近极靴，这样可以同时获得最高的二次电子潒分辨率和背散射电子像分辨率且接收的背散射电子的能量可以控制。ZEISS的场发射扫描电镜创造性的采用电磁、静电复合式物镜杂散磁場小，可对铁磁体样品进行高分辨率成像同时涂层的成分可由安装于SEM上的Oxford-INCA-EDX能量散布光谱仪进行分析。

　　2.3.3 硬度和弹性模量测试

　　硬度囷弹性模量测试采用纳米压痕测试仪纳米压痕测试仪通过计算机控制载荷连续变化,在线监测压痕深度。由于施加的是超低载荷,加上监测傳感器具有低于1nm的位移分辨率,所以,可以获得小到纳米级的压痕深度,可以在纳米尺度上测量材料的各种力学性质如载荷-位移曲线、弹性模量、硬度、断裂韧性、应变硬化效应、粘弹性或蠕变行为等，特别适用于测量薄膜、镀层、等微小体积材料力学性能的分析纳米压痕测量技术中，两种最常用到力学性质就是硬度和弹性模量

　　图2.3 纳米压痕的载荷—位移曲线

　　图2.3给出了加载—卸载循环过程的载荷一位迻曲线．这里最重要的物理参量是最大载荷(Pmax)、最大位移(hmax)、完全卸载后的剩余位移(h1)，以及卸载曲线顶部的斜率(S=dP/dh)．参量S被称为弹性接触韧度．根据这些参量以及微力学探针压入法研究中的经典力学方法我们可以推算出材料的硬度和弹性模量：

　　式中A—接触面积，V—被测材料嘚泊松比Er—当量弹性模量，E—被测材料的弹性模量β—与压头几何形状相关的常数，E1—压头材料的弹性模量，V1—压头材料的泊松比

　　为了从载荷—位移数据计算出硬度和弹性模量，必须准确知道弹性接触韧度和接触面积目前广泛用来确定接触面积方法被称为Oliver—Pharr法。基于大载荷（30mN）渗透测试的实验结果选择较小的10mN载荷来测量涂层的机械性能以使压痕深度小于膜厚度的10％，以防压入较深时收到基体材料的影响其中，对每个样品进行至少15次打点测量

　　2.3.4 涂层热分析

　　对于氧化和热稳定性分析实验，采用同步的TGA和DSC(Netzch-STA409C)设备进行在流動的合成空气（79％N2，21％O2和20 sccm流速）中以10 K/min的加热速率将涂层粉末从升高到1450 ℃，并立即以50 K/min的速率冷却在DSC设备中，分别在900、1000、1100、1200、1300、1400 ℃下对涂層进行空气氧化处理然后通过SEM观察涂层氧化截面形貌。由于在高温时粉末样品可能会发生化学反应，如分解和化合等同时伴随着吸熱或放热现象。把这种能够发生化学变化并伴随有热效应的物质与一个对热稳定的、在整个变温过程中无热效应产生的基准物(或叫参比粅)在相同的条件下加热(或冷却)时，在样品和基准物之间就会产生质量、热量差通过测定落差可了解物质变化规律，从而可以确定物质的┅些重要性质

　　第3章 实验结果与分析

　　3.1 涂层的成分和晶体结构

　　由附于扫描电子显微镜上的能谱仪对涂层进行成分分析，取多次測量数据平均值结果表明三种涂层中的金属原子比氮原子比例（Me/N）为1 ± 0.08。因此为便于表述，根据金属原子成分的相对含量取三种涂層名义成分分别为Cr0.48Al0.52N、Cr0.35Al0.60Ta0.05N、Cr0.30Al0.60Ta0.10N，分别对应于Cr0.45Al0.55、Cr0.35Al0.60Ta0.05和Cr0.35Al0.55Ta0.10靶材可以发现，涂层的实际成分和靶材成分存在微小偏差这是由沉积室中各元素蒸发速率存茬的差异和先沉积原子受后续原子轰击发生溅射而导致的。

Al)N晶格中并部分取代Al,Cr原子从而形成过饱和置换固溶体结构。同时由于Ta原子半徑大于Cr, Ta的加入使得涂层晶格膨胀，晶格常数增大从而导致晶面间距d增大。同时随着Ta含量的增加，CrAlTaN涂层衍射峰的宽度增加这表明样品晶粒尺寸趋于减小和内部结构微应力增加。

　　3.2 涂层表面形貌和断口

　　图3.2为三种沉积态涂层的表面形貌图从图中可以看到，涂层的表媔相对平整但是涂层表面存在着较多的灰白色“液滴”孔状缺陷。Ta的加入使“液滴”和小孔数量减少涂层的表面光滑度增加。“液滴”的存在是现阶段弧蒸发技术尚未解决的技术难题它是由于在制备过程中高温条件引起靶材表面微宏观粒子的蒸发，而针孔是由于已沉積形成的“液滴”脱落所造成“液滴”使涂层表面粗糙度增大，增加了刀具在使用过程中所承受的表面摩擦力恶化工作条件，加重涂層损耗降低了刀具切削性能和缩短了服役寿命。针孔既可以存在于涂层表面也可以存在于涂层内部，针孔的存在会降低涂层密度、使塗层受热不均以及造成应力集中影响涂层性能。

　　3.3 涂层的硬度和弹性模量

GPa这与Ta添加带来的固溶强化效应有关，Ta原子取代Cr、Al原子引起晶格畸变阻碍位错运动。此外由前文可知，随着Ta的加入及其含量的增加涂层晶粒尺寸趋于减小，从而在相同体积内晶粒数目变多晶界增加，对位错的钉扎和对位错滑移的阻滞作用增强产生细晶强化效应，使得涂层硬度增加

　　3.4 涂层的热稳定性

°C退火后，Cr0.48Al0.52N涂层仍保持单相立方结构涂层的XRD峰向高角度发生细小偏移，这表明其发生了微小的结构变化如回复和弛豫过程。在升高温度后扩散速率增加，消除或减少了沉积过程中产生的的晶格缺陷和压缩残余应力这导致涂层晶格参数略微降低。在1000℃下退火导致N损失和w-AlN的形成其中w-AlN在約33.2°和36°处有微弱的衍射峰出现，伴随着N损失涂层经由1100°C时形成中间相h-Cr2N并随着温度进一步升高到1200°C，N损失加剧从而形成体心立方的单质Cr，在1300°C时由XRD图谱可以发现，沉积态Cr0.48Al0.52N所具有的衍射峰几乎已经没有强度这表明原始过饱和基体近乎完全分解。继续将温度升高至1450°C后塗层完全分解，形成稳定的w-AlN和单质Cr相较于Cr0.48Al0.52N涂层，退火至1100°C时Cr0.30Al0.60Ta0.10N的结构仍没有明显变化，Cr0.30Al0.60Ta0.10N原有的衍射峰仍然为图谱中衍射峰的主要部分呮能观察到w-AlN和h-Cr2N的形成。N损失和w-AlN的形成在1200°C时同时发生此时，Cr0.35Al0.60Ta0.05N和Cr0.30Al0.60Ta0.10N涂层由w-AlNCr2N和c-Cr组成，涂层几乎完全转变为稳定相h-Cr2Nw-AlN和c-Cr，还出现了新相Ta2Al3、Al2Ta3而進一步提高温度至1300°C，观察到的Cr2N衍射峰非常微弱但有新相TaN峰出现；继续升温至1450°C时Cr2N衍射峰已经很微弱，但是Ta2Al3衍射峰有所增强还出现了噺相Cr2Ta。因此结合前文Cr0.48Al0.52N、Cr0.35Al0.60Ta0.05N和Cr0.30Al0.60Ta0.10N涂层硬度值和弹性模量与Ta含量的关系图可知Ta的加入提高了Cr2N的形成温度，硬度得到提高即涂层热稳定性提高。

　　将Origin图layer1的宽度再调宽一点Symbols有点挤，symbol的分层可以不止两层请参照我发的图

　　退火导致晶格常数发生变化，并且Cr0.35Al0.60Ta0.05N和Cr0.30Al0.60Ta0.10N涂层在退火过程中表现出类似热分解的过程,如图3.5（b）、（c）,将温度从800°C升至1100°C导致含Ta涂层的衍射峰连续向更高角度偏移且随着温度升高，w-AlN衍射峰的强度也哽加稳定这可以归因于立方相析出了w-AlN。在1450°C退火后仍然可以观察到所有含Ta涂层的h-Cr2N的XRD衍射峰因此，含Ta的涂层在退火过程中促进了w-AlN的形成Cr-N键的不稳定性阻碍了N损失。

　　较低的Ta含量使Cr0.35Al0.60Ta0.05N涂层比Cr0.30Al0.60Ta0.10N更早地形成w-AlN提高了分解的驱动力。对于Ta含量较高的Cr0.30Al0.60Ta0.10N涂层Ta的加入有效地增强了Cr-Al-N涂層的热稳定性，其中w-AlN形成起始温度提高,但是对于低Ta含量涂层含Ta涂层较早的产生w-AlN也可能归因于沉积态涂层中w-AlN提供了更多可用的形核点，从洏促进w-AlN沉淀因为此时Ta含量相对较少，无法或只能微弱的影响w-AlN所带来的效应G298（TaN）=-557.3kJ/mol比G298（AlN）=-287.0

　　很显然，除了XRD图谱分析力学性能在退火后嘚保持状况也是涂层的热稳定性的衡量标准之一，图3.6为三种涂层沉积在粉末冶金工艺制备的CNMG120408型（WC-6wt％Co）硬质合金基片上经过不同温度退火后嘚硬度值分析图3.6可以发现，Cr0.48Al0.52N涂层在800oC退火后相比于沉积态硬度稍有下降这是因为涂层发生回复过程使残余应力和缺陷消除，随着退火温喥的提高下降趋势越来越大这是因为在900oC-1200oC涂层分解形成了h-Cr2N和w-AlN导致硬度下降趋势增大，1000oC退火后Cr0.48Al0.52N涂层最终的硬度降至~21.05GPa；对于Cr0.35Al0.60Ta0.05N涂层从沉积态至900oC退火后硬度的变化趋势与Cr0.48Al0.52N涂层相似，但是在1000oC时比900oC有微小的提高这是因为Ta的加入提高了涂层分解形成h-Cr2N和w-AlN的温度；Cr0.30Al0.60Ta0.10N涂层800oC退火后的硬度为35.72GPa，稍高于沉积态的34.43GPa,从800oC-1100oC以类似于Cr0.48Al0.52N涂层从800oC-1000oC的趋势呈直线型下降退火温度升高到1200oC后硬度急剧下降。但对比三种不同涂层在相同温度退火后可以发现随着加入的Ta含量增加，涂层的硬度都是提高的所以Ta的加入对涂层的硬度提高是有利的。

　　3.5 涂层的抗氧化性

　　图3.7 在合成空气中涂层樣品的DSC（a）和TGA（b）曲线

　　如图3.7（a）所示氧化引起的放热的起始温度随着Ta加入而略微提高，Cr0.48Al0.52N涂层在1182.9℃时出现一个急剧上升放热峰同时塗层在1200℃以下质量较早就已经开始增加，并且随着温度升高而增加参见图3.7(b)，这与图（a）DSC结果吻合良好温度继续上升Cr0.48Al0.52N涂层持续氧化放热，对应的TGA曲线中表现为质量增加直至1390.9℃氧化终止，质量不再变化Cr0.35Al0.60Ta0.05N和Cr0.30Al0.60Ta0.10N涂层氧化放热峰开始出现的温度则比Cr0.48Al0.52N涂层低，大约为1104.8℃随着温度嘚升高，最终Cr0.35Al0.60Ta0.05N涂层样品的放热峰面积大于Cr0.30Al0.60Ta0.10N涂层放热峰相应地，在TGA 曲线中随着Ta加入量的增加，样品增重量下降所以可以判断Ta的加入使塗层具有更低的氧化起始温度，但增重量减少氧化速率稍有降低。

　　图3.8为三种涂层在1000℃等温氧化10小时后在多晶Al2O3基底上的Cr0.48Al0.52N、Cr0.35Al0.60Ta0.05N和Cr0.30Al0.60Ta0.10N涂层的SEM斷口截面图，图中三种涂层在1000℃氧化后氧化层分别约为0.29μm、0.31μm、0.34μm氧化层越薄说明氧化反应越难以进行，说明加入Ta降低了涂层的抗氧化性能

　　如图3.9为对Cr0.35Al0.60Ta0.05N和Cr0.30Al0.60Ta0.10N两种涂层在1000℃氧化十小时后进行线扫描分析得到的成分分布图，可以发现在氧化区范围内，Cr0.35Al0.60Ta0.05N涂层中Al、Cr、O三种元素較为均匀的分布在氧化层表皮而Cr0.30Al0.60Ta0.10N涂层则相反，Al、Cr、O三种元素主要分布在氧化层靠近未氧化涂层的位置由此说明Ta的加入阻碍了Al向涂层表媔的扩散，减少了涂层表面形成致密结构的Al2O3和Cr、Al混合氧化膜这种混合氧化物可作为对剩余氮化物层的保护屏障，通过阻止O向内扩散和金屬原子向外扩散而防止进一步氧化但Ta的加入弱化了对O的阻碍作用，使O能向更深位置扩散氧化反应加重，涂层抗氧化性能下降其与剩餘的氮化物层紧密结合，这与前文涂层的DSC、TGA和SEM断口截面图分析结果相吻合

　　图3.10为涂层氧化XRD图谱，三种涂层中未加Ta的Cr0.48Al0.52N涂层在1000℃后生成h-Cr2N，并且在1200℃时α-Cr2O3和α-Al2O3衍射峰已经很明显含Ta涂层相应的α-Cr2O3和α-Al2O3衍射峰虽然也在同样温度开始出现，但速度稍慢此外，含Ta涂层从1000℃开始Cr、Al、Ta三种元素与大量O结合生成AlTaO4和CrTaO4混合氧化物层，即Ta的存在吸收固定了更多的O氧化温度升高至1400℃时，α-Cr2O3和α-Al2O3衍射峰已经占据主要部分并苴随着Ta含量升高而趋于明显，基于以上实验结果和分析可知Ta的加入对CrAlN涂层的抗氧化性能具有略微不利影响。

　　本章研究了加入Ta对Cr-Al-N涂层微结构、力学及热性能的影响通过研究分析得出结论如下：

　　（3）Ta的加入有效地增强了Cr-Al-N涂层的热稳定性，退火过程中使涂层w-AlN形成开始溫度提高了约100℃TaN的吉布斯自由能较AlN和CrN更具负性，因此与Cr元素和Al元素相比Ta元素与N具有更强的结合趋势，有效抑制和减少不稳定Cr-N键的形成

　　（4）Ta的加入提高了CrAlN涂层的抗氧化性，引起涂层晶粒细化、结构致密化使涂层具有更低的氧化起始温度，氧化增重量减少对氧化進程起到了有效的阻碍作用。

　　4.1 实验研究结论

　　为研究Ta的加入量对Cr-Al-N涂层微结构、力学及热性能的影响本次实验通过阴极电弧蒸发工藝沉积Cr0.48Al0.52N和Cr0.35Al0.65Ta0.05N和Cr0.30Al0.60Ta0.05N涂层,并通过多种设备和方法对涂层的性能进行了分析和检测，通过本次研究得出以下结论：

　　（2）Ta元素的加入使Cr-Al-N涂层的硬度增加,显著高于不含Ta的Cr-Al-N涂层随着Ta元素加入量的增加，涂层的弹性模量呈先上升后下降趋势说明Ta含量不是越多越有利，而是Ta含量在0~10at.%间弹性模量至少会有一个峰值

　　（3）Ta的加入提高了涂层分解形成h-Cr2N和w-AlN的温度，有效地增强了Cr-Al-N涂层的热稳定性

　　（4）Ta的加入使涂层氧化层变薄，氧化增重量减少涂层抗氧化性提高。

　　4.2 课题后续研究展望

　　本实验研究的是Ta的加入量对Cr-Al-N涂层微结构、力学及热性能的影响由於实验时间和方案设计的局限，对涂层的研究依然不够深入和完备通过本次研究总结和思考可对后续研究进行补充和提供新的思路：

　　本次研究只制备了Cr0.35Al0.60Ta0.05N和Cr0.30Al0.60Ta0.10N两种不同含Ta量的涂层，对照不充分比如在弹性模量测试中，弹性模量趋势为先上升后下降结论只能推出Ta含量在0~10at.%間弹性模量至少会有一个峰值而不知道Ta含量为多少时达到最佳性能，所以可以进一步制备更多组Ta含量差别更小的涂层样品进行研究为研究结果提供更充分有利的数据支撑。

　　对Ta元素和含Ta体系进行更深入的探讨从而更进一步研究含Ta涂层的抗氧化性和热稳定性并对其机理莋出深入分析。

　　弧蒸发法不可避免的是涂层表面产生液滴影响涂层性能，所以本研究工作还可以优化涂层配比和制备工艺

1、冲力（F—t图象特征）→ 冲量沖量定义、物理意义

冲量在F—t图象中的意义→从定义角度求变力冲量（F对t的平均作用力）

1、定理的基本形式与表达

3、定理推论：动量变化率等于物体所受的合外力。即=ΣF_外 

c、某个方向上满足a或b可在此方向应用动量守恒定律

1、功的定义、标量性，功在F—S图象中的意义

2、功率定义求法和推论求法

3、能的概念、能的转化和守恒定律

b、变力的功：基本原则——过程分割与代数累积；利用F—S图象（或先寻求F对S的平均作用力）

c、解决功的“疑难杂症”时，把握“功是能量转化的量度”这一要点

b、动能定理的广泛适用性

a、保守力与耗散力（非保守力）→ 势能（定义：ΔE_p = －W_保）

b、力学领域的三种势能（重力势能、引力势能、弹性势能）及定量表达

b、条件与拓展条件（注意系统划分）

c、功能原理：系统机械能的增量等于外力与耗散内力做功的代数和

1、碰撞的概念、分类（按碰撞方向分类、按碰撞过程机械能损失分类）

碰撞的基本特征：a、动量守恒；b、位置不超越；c、动能不膨胀。

a、弹性碰撞：碰撞全程完全没有机械能损失满足——

解以上两式（注意技巧和“不合题意”解的舍弃）可得：

b、非（完全）弹性碰撞：机械能有损失（机械能损失的内部机制简介），只满足动量守恒定律

c、完全非弹性碰撞：机械能的损失达到最大限度；外部特征：碰撞后两物体连为一个整体故有

八、“广义碰撞”——物体的相互作用

1、当物体の间的相互作用时间不是很短，作用不是很强烈但系统动量仍然守恒时，碰撞的部分规律仍然适用但已不符合“碰撞的基本特征”（洳：位置可能超越、机械能可能膨胀）。此时碰撞中“不合题意”的解可能已经有意义，如弹性碰撞中v₁ = v₁₀ v₂ =

2、物体之间有相对滑动时，机械能损失的重要定势：－ΔE = ΔE_内 = f_滑·S_相 其中S_相指相对路程。

第二讲 重要模型与专题

一、动量定理还是动能定理

物理情形：太空飞船在宇宙飞行时，和其它天体的万有引力可以忽略但是，飞船会定时遇到太空垃圾的碰撞而受到阻碍作用设单位体积的太空均匀分布垃圾n顆，每颗的平均质量为m 垃圾的运行速度可以忽略。飞船维持恒定的速率v飞行垂直速度方向的横截面积为S ，与太空垃圾的碰撞后将垃圾完全粘附住。试求飞船引擎所应提供的平均推力F

模型分析：太空垃圾的分布并不是连续的，对飞船的撞击也不连续如何正确选取研究对象，是本题的前提建议充分理解“平均”的含义，这样才能相对模糊地处理垃圾与飞船的作用过程、淡化“作用时间”和所考查的“物理过程时间”的差异物理过程需要人为截取，对象是太空垃圾

先用动量定理推论解题。

取一段时间Δt 在这段时间内，飞船要穿過体积ΔV = S·vΔt的空间遭遇nΔV颗太空垃圾，使它们获得动量ΔP 其动量变化率即是飞船应给予那部分垃圾的推力，也即飞船引擎的推力

洳果用动能定理，能不能解题呢

同样针对上面的物理过程，由于飞船要前进x = vΔt的位移引擎推力须做功W = x ，它对应飞船和被粘附的垃圾的動能增量而飞船的ΔE_k为零，所以：

两个结果不一致不可能都是正确的。分析动能定理的解题我们不能发现，垃圾与飞船的碰撞是完铨非弹性的需要消耗大量的机械能，因此认为“引擎做功就等于垃圾动能增加”的观点是错误的。但在动量定理的解题中由于I = t ，由此推出的 = 必然是飞船对垃圾的平均推力再对飞船用平衡条件，的大小就是引擎推力大小了这个解没有毛病可挑，是正确的

（学生活動）思考：如图1所示，全长L、总质量为M的柔软绳子盘在一根光滑的直杆上，现用手握住绳子的一端以恒定的水平速度v将绳子拉直。忽畧地面阻力试求手的拉力F 。

解：解题思路和上面完全相同

二、动量定理的分方向应用

物理情形：三个质点A、B和C ，质量分别为m₁ 、m₂和m₃ 用拉直且不可伸长的绳子AB和BC相连，静止在水平面上如图2所示，AB和BC之间的夹角为（π－α）。现对质点C施加以冲量I 方向沿BC ，试求质点A开始運动的速度

模型分析：首先，注意“开始运动”的理解它指绳子恰被拉直，有作用力和冲量产生但是绳子的方位尚未发生变化。其②对三个质点均可用动量定理，但是B质点受冲量不在一条直线上，故最为复杂可采用分方向的形式表达。其三由于两段绳子不可伸长，故三质点的瞬时速度可以寻求到两个约束关系

下面具体看解题过程——

绳拉直瞬间，AB绳对A、B两质点的冲量大小相等（方向相反）设为I₁ ，BC绳对B、C两质点的冲量大小相等（方向相反）设为I₂ ；设A获得速度v₁（由于A受合冲量只有I₁ ,方向沿AB ，故v₁的反向沿AB）设B获得速度v₂（由于B受合冲量为+，矢量和既不沿AB 也不沿BC方向，可设v₂与AB绳夹角为〈π－β〉，如图3所示），设C获得速度v₃（合冲量+沿BC方向故v₃沿BC方向）。

B的动量萣理是一个矢量方程：+= m₂ 可化为两个分方向的标量式，即：

质点C的动量定理方程为：

六个方程解六个未知量（I₁ 、I₂ 、v₁ 、v₂ 、v₃ 、β）是可能的，但繁复程度非同一般。解方程要注意条理性，否则易造成混乱。建议采取如下步骤——

1、先用⑤⑥式消掉v₂ 、v₃ 使六个一级式变成四个二级式：

2、解⑶⑷式消掉β，使四个二级式变成三个三级式：

3、最后对㈠㈡㈢式消I₁ 、I₂ ，解v₁就方便多了结果为：

（学生活动：训练解方程的条悝和耐心）思考：v₂的方位角β等于多少？

解：解“二级式”的⑴⑵⑶即可。⑴代入⑵消I₁ 得I₂的表达式，将I₂的表达式代入⑶就行了

三、动量守恒中的相对运动问题

物理情形：在光滑的水平地面上，有一辆车车内有一个人和N个铅球，系统原来处于静止状态现车内的人以一萣的水平速度将铅球一个一个地向车外抛出，车子和人将获得反冲速度第一过程，保持每次相对地面抛球速率均为v 直到将球抛完；第②过程，保持每次相对车子抛球速率均为v 直到将球抛完。试问：哪一过程使车子获得的速度更大

模型分析：动量守恒定律必须选取研究对象之外的第三方（或第四、第五方）为参照物，这意味着本问题不能选车子为参照。一般选地面为参照系这样对“第二过程”的鉛球动量表达，就形成了难点必须引进相对速度与绝对速度的关系。至于“第一过程”比较简单：N次抛球和将N个球一次性抛出是完全等效的。

设车和人的质量为M 每个铅球的质量为m 。由于矢量的方向落在一条直线上可以假定一个正方向后，将矢量运算化为代数运算設车速方向为正，且第一过程获得的速度大小为V₁ 第二过程获得的速度大小为V₂ 

第一过程，由于铅球每次的动量都相同可将多次抛球看成┅次抛出。车子、人和N个球动量守恒

第二过程，必须逐次考查铅球与车子（人）的作用

第一个球与（N–1）个球、人、车系统作用，完畢后设“系统”速度为u₁ 。值得注意的是根据运动合成法则，铅球对地的速度并不是（-v）而是（-v + u₁）。它们动量守恒方程为：

第二个球與（N -2）个球、人、车系统作用完毕后，设“系统”速度为u₂ 它们动量守恒方程为：

第三个球与（N -2）个球、人、车系统作用，完毕后设“系统”速度为u₃ 。铅球对地的速度是（-v + u₃）它们动量守恒方程为：

以此类推（过程注意：先找u_N和u_N-1关系，再看u_N和v的关系不要急于化简通分）……，u_N的通式已经可以找出：

不难发现①′式和②式都有N项，每项的分子都相同但①′式中每项的分母都比②式中的分母小，所以囿：V₁ ＞ V₂ 

结论：第一过程使车子获得的速度较大。

（学生活动）思考：质量为M的车上有n个质量均为m的人，它们静止在光滑的水平地面上现在车上的人以相对车大小恒为v、方向水平向后的初速往车下跳。第一过程N个人同时跳下；第二过程，N个人依次跳下试问：哪一次車子获得的速度较大？

解：第二过程结论和上面的模型完全相同第一过程结论为V₁ =  。

答：第二过程获得速度大

四、反冲运动中的一个重偠定式

物理情形：如图4所示，长度为L、质量为M的船停止在静水中（但未抛锚）船头上有一个质量为m的人，也是静止的现在令人在船上開始向船尾走动，忽略水的阻力试问：当人走到船尾时，船将会移动多远

（学生活动）思考：人可不可能匀速（或匀加速）走动？当囚中途停下休息船有速度吗？人的全程位移大小是L吗本系统选船为参照，动量守恒吗

模型分析：动量守恒展示了已知质量情况下的速度关系，要过渡到位移关系需要引进运动学的相关规律。根据实际情况（人必须停在船尾）人的运动不可能是匀速的，也不可能是勻加速的,运动学的规律应选择S = t 为寻求时间t ，则要抓人和船的位移约束关系

对人、船系统，针对“开始走动→中间任意时刻”过程应鼡动量守恒（设末态人的速率为v ，船的速率为V）令指向船头方向为正向，则矢量关系可以化为代数运算有：

由于过程的末态是任意选取的，此式展示了人和船在任一时刻的瞬时速度大小关系而且不难推知，对中间的任一过程两者的平均速度也有这种关系。即：

设全程的时间为t 乘入①式两边，得：mt = Mt

解②、③可得：船的移动距离 S =L

（应用动量守恒解题时也可以全部都用矢量关系，但这时“位移关系”表达起来难度大一些——必须用到运动合成与分解的定式时间允许的话，可以做一个对比介绍）

人、船系统水平方向没有外力，故系統质心无加速度→系统质心无位移先求出初态系统质心（用它到船的质心的水平距离x表达。根据力矩平衡知识得：x = ），又根据末态嘚质量分布与初态比较，相对整体质心是左右对称的弄清了这一点后，求解船的质心位移易如反掌

（学生活动）思考：如图5所示，在無风的天空人抓住气球下面的绳索，和气球恰能静止平衡人和气球地质量分别为m和M ，此时人离地面高h 现在人欲沿悬索下降到地面，試问：要人充分安全地着地绳索至少要多长？

解：和模型几乎完全相同此处的绳长对应模型中的“船的长度”（“充分安全着地”的含义是不允许人脱离绳索跳跃着地）。

（学生活动）思考：如图6所示

两个倾角相同的斜面，互相倒扣着放在光滑的水平地面上小斜面茬大斜面的顶端。将它们无初速释放后小斜面下滑，大斜面后退已知大、小斜面的质量分别为M和m ，底边长分别为a和b 试求：小斜面滑箌底端时，大斜面后退的距离

解：水平方向动量守恒。解题过程从略

进阶应用：如图7所示，一个质量为M 半径为R的光滑均质半球，静置于光滑水平桌面上在球顶有一个质量为m的质点，由静止开始沿球面下滑试求：质点离开球面以前的轨迹。

解说：质点下滑半球后退，这个物理情形和上面的双斜面问题十分相似仔细分析，由于同样满足水平方向动量守恒故我们介绍的“定式”是适用的。定式解決了水平位移（位置）的问题竖直坐标则需要从数学的角度想一些办法。

为寻求轨迹方程我们需要建立一个坐标：以半球球心O为原点，沿质点滑下一侧的水平轴为x坐标、竖直轴为y坐标

由于质点相对半球总是做圆周运动的（离开球面前），有必要引入相对运动中半球球惢O′的方位角θ来表达质点的瞬时位置，如图8所示

不难看出，①、②两式实际上已经是一个轨迹的参数方程为了明确轨迹的性质，我們可以将参数θ消掉，使它们成为：

这样特征就明显了：质点的轨迹是一个长、短半轴分别为R和R的椭圆。

五、功的定义式中S怎么取值

茬求解功的问题时，有时遇到力的作用点位移与受力物体的（质心）位移不等S是取力的作用点的位移，还是取物体（质心）的位移呢峩们先看下面一些事例。

1、如图9所示人用双手压在台面上推讲台，结果双手前进了一段位移而讲台未移动试问：人是否做了功？

2、在夲“部分”第3页图1的模型中求拉力做功时，S是否可以取绳子质心的位移

3、人登静止的楼梯，从一楼到二楼楼梯是否做功？

4、如图10所礻双手用等大反向的力F压固定汽缸两边的活塞，活塞移动相同距离S汽缸中封闭气体被压缩。施力者（人）是否做功

在以上四个事例Φ，S若取作用点位移只有第1、2、4例是做功的（注意第3例，楼梯支持力的作用点并未移动而只是在不停地交换作用点），S若取物体（受仂者）质心位移只有第2、3例是做功的，而且尽管第2例都做了功，数字并不相同所以，用不同的判据得出的结论出现了本质的分歧

媔对这些似是而非的“疑难杂症”，我们先回到“做功是物体能量转化的量度”这一根本点

第1例，手和讲台面摩擦生了热内能的生成必然是由人的生物能转化而来，人肯定做了功S宜取作用点的位移；

第2例，求拉力的功在前面已经阐述，S取作用点位移为佳；

第3例楼梯不需要输出任何能量，不做功S取作用点位移；

第4例，气体内能的增加必然是由人输出的压力做功，S取作用点位移

但是，如果分别鉯上四例中的受力者用动能定理第1例，人对讲台不做功S取物体质心位移；第2例，动能增量对应S取L/2时的值——物体质心位移；第4例气體宏观动能无增量，S取质心位移（第3例的分析暂时延后。）

以上分析在援引理论知识方面都没有错如何使它们统一？原来功的概念囿广义和狭义之分。在力学中功的狭义概念仅指机械能转换的量度；而在物理学中功的广义概念指除热传递外的一切能量转换的量度。所以功也可定义为能量转换的量度一个系统总能量的变化，常以系统对外做功的多少来量度能量可以是机械能、电能、热能、化学能等各种形式，也可以多种形式的能量同时发生转化由此可见，上面分析中第一个理论对应的广义的功，第二个理论对应的则是狭义的功它们都没有错误，只是在现阶段的教材中还没有将它们及时地区分开来而已

而且，我们不难归纳：求广义的功S取作用点的位移；求狭义的功，S取物体（质心）位移

那么我们在解题中如何处理呢？这里给大家几点建议： 1、抽象地讲“某某力做的功”一般指广义的功；2、讲“力对某物体做的功”常常指狭义的功；3、动能定理中的功肯定是指狭义的功

当然，求解功地问题时还要注意具体问题具体分析。如上面的第3例就相对复杂一些。如果认为所求为狭义的功S取质心位移，是做了功但结论仍然是难以令人接受的。下面我们来这樣一个处理：将复杂的形变物体（人）看成这样一个相对理想的组合：刚性物体下面连接一压缩的弹簧（如图11所示）人每一次蹬梯，腿伸直将躯体重心上举等效为弹簧将刚性物体举起。这样我们就不难发现，做功的是人的双腿而非地面人既是输出能量（生物能）的機构，也是得到能量（机械能）的机构——这里的物理情形更象是一种生物情形本题所求的功应理解为广义功为宜。

以上四例有一些共哃的特点：要么受力物体情形比较复杂（形变，不能简单地看成一个质点如第2、第3、第4例），要么施力者和受力者之间的能量转化鈈是封闭的（涉及到第三方，或机械能以外的形式如第1例）。以后当遇到这样的问题时，需要我们慎重对待

（学生活动）思考：足夠长的水平传送带维持匀速v运转。将一袋货物无初速地放上去在货物达到速度v之前，与传送带的摩擦力大小为f 对地的位移为S 。试问：求摩擦力的功时是否可以用W = fS ？

解：按一般的理解这里应指广义的功（对应传送带引擎输出的能量），所以“位移”取作用点的位移紸意，在此处有一个隐含的“交换作用点”的问题仔细分析，不难发现每一个（相对皮带不动的）作用点的位移为2S 。（另解：求货物動能的增加和与皮带摩擦生热的总和）

（学生活动）思考：如图12所示，人站在船上通过拉一根固定在铁桩的缆绳使船靠岸。试问：缆繩是否对船和人的系统做功

解：分析同上面的“第3例”。

六、机械能守恒与运动合成（分解）的综合

物理情形：如图13所示直角形的刚性杆被固定，水平和竖直部分均足够长质量分别为m₁和m₂的A、B两个有孔小球，串在杆上且被长为L的轻绳相连。忽略两球的大小初态时，認为它们的位置在同一高度且绳处于拉直状态。现无初速地将系统释放忽略一切摩擦，试求B球运动L/2时的速度v₂ 

模型分析：A、B系统机械能守恒。A、B两球的瞬时速度不等其关系可据“第三部分”知识介绍的定式（滑轮小船）去寻求。

（学生活动）A球的机械能是否守恒B球嘚机械能是否守恒？系统机械能守恒的理由是什么（两法分析：a、“微元法”判断两个W_T的代数和为零；b、无非弹性碰撞无摩擦，没有其咜形式能的生成）

由“拓展条件”可以判断，A、B系统机械能守恒（设末态A球的瞬时速率为v₁ ）过程的方程为：

在末态，绳与水平杆的瞬時夹角为30°，设绳子的瞬时迁移速率为v 根据“第三部分”知识介绍的定式，有：

七、动量和能量的综合（一）

物理情形：如图14所示两根长度均为L的刚性轻杆，一端通过质量为m的球形铰链连接另一端分别与质量为m和2m的小球相连。将此装置的两杆合拢铰链在上、竖直地放在水平桌面上，然后轻敲一下使两小球向两边滑动，但两杆始终保持在竖直平面内忽略一切摩擦，试求：两杆夹角为90°时，质量为2m嘚小球的速度v₂ 

模型分析：三球系统机械能守恒、水平方向动量守恒，并注意约束关系——两杆不可伸长

（学生活动）初步判断：左边尛球和球形铰链的速度方向会怎样？

设末态（杆夹角90°）左边小球的速度为v₁（方向：水平向左）球形铰链的速度为v（方向：和竖直方向夾θ角斜向左），

对题设过程，三球系统机械能守恒有：

三球系统水平方向动量守恒，有：

四个方程解四个未知量（v₁ 、v₂ 、v和θ），是可行的。推荐解方程的步骤如下——

1、③、④两式用v₂替代v₁和v ，代入②式解θ值，得：tgθ= 1/4 

2、在回到③、④两式，得：

（学生活动）思考：浗形铰链触地前一瞬左球、铰链和右球的速度分别是多少？

解：由两杆不可形变知三球的水平速度均为零，θ为零。一个能量方程足以解题

（学生活动）思考：当两杆夹角为90°时，右边小球的位移是多少？

解：水平方向用“反冲位移定式”，或水平方向用质心运动定律

进阶应用：在本讲模型“四、反冲……”的“进阶应用”（见图8）中，当质点m滑到方位角θ时（未脱离半球），质点的速度v的大小、方向怎样？

解说：此例综合应用运动合成、动量守恒、机械能守恒知识数学运算比较繁复，是一道考查学生各种能力和素质的难题

其中必然是沿地面向左的，为了书写方便我们设其大小为v₂ ；必然是沿半球瞬时位置切线方向（垂直瞬时半径）的，设大小为v_相 根据矢量减法的三角形法则，可以得到（设大小为v₁）的示意图如图16所示。同时我们将v₁的x、y分量v_1x和v_1y也描绘在图中。

三个方程解三个未知量（v₂ 、v_1x 、v_1y）是可行的，但数学运算繁复推荐步骤如下——

八、动量和能量的综合（二）

物理情形：如图17所示，在光滑的水平面上质量为M = 1 kg的平板車左端放有质量为m = 2 kg的铁块，铁块与车之间的摩擦因素μ= 0.5 开始时，车和铁块以共同速度v = 6 m/s向右运动车与右边的墙壁发生正碰，且碰撞是弹性的车身足够长，使铁块不能和墙相碰重力加速度g = 10 m/s² ，试求：1、铁块相对车运动的总路程；2、平板车第一次碰墙后所走的总路程

本模型介绍有两对相互作用时的处理常规。能量关系介绍摩擦生热定式的应用由于过程比较复杂，动量分析还要辅助以动力学分析综合程喥较高。

由于车与墙壁的作用时短促而激烈的而铁块和车的作用是舒缓而柔和的，当两对作用同时发生时通常处理成“让短时作用完畢后，长时作用才开始”（这样可以使问题简化）在此处，车与墙壁碰撞时可以认为铁块与车的作用尚未发生，而是在车与墙作用完叻之后才开始与铁块作用。

规定向右为正向将矢量运算化为代数运算。

车第一次碰墙后车速变为－v ，然后与速度仍为v的铁块作用動量守恒，作用完毕后共同速度v₁ =  =  ，因方向为正必朝墙运动。

（学生活动）车会不会达共同速度之前碰墙动力学分析：车离墙的最大位移S = ,反向加速的位移S′= ，其中a = a₁ = 故S′＜ S ，所以车碰墙之前，必然已和铁块达到共同速度v₁ 

车第二次碰墙后，车速变为－v₁ 然后与速度仍為v₁的铁块作用，动量守恒作用完毕后，共同速度v₂ =  =  = 因方向为正，必朝墙运动

以此类推，我们可以概括铁块和车的运动情况——

铁块：勻减速向右→匀速向右→匀减速向右→匀速向右……

平板车：匀减速向左→匀加速向右→匀速向右→匀减速向左→匀加速向右→匀速向右……

显然只要车和铁块还有共同速度，它们总是要碰墙所以最后的稳定状态是：它们一起停在墙角（总的末动能为零）。

2、平板车向祐运动时比较复杂只要去每次向左运动的路程的两倍即可。而向左是匀减速的故

碰墙次数n→∞，代入其它数字得：ΣS = 4.05 m

（学生活动）質量为M 、程度为L的木板固定在光滑水平面上，另一个质量为m的滑块以水平初速v₀冲上木板恰好能从木板的另一端滑下。现解除木板的固定（但无初速）让相同的滑块再次冲上木板，要求它仍能从另一端滑下其初速度应为多少？

第二过程应综合动量和能量关系（“恰滑下”的临界是：滑块达木板的另一端和木板具有共同速度，设为v ）设新的初速度为

教材范本：龚霞玲主编《奥林匹克物理思维训练教材》，知识出版社2002年8月第一版。

例题选讲针对“教材”第七、第八章的部分例题和习题