调制周期对Al/Al2 O3 纳米多层膜微观结构与力学性能的调控机制研究

研究人员通过磁控溅射法制备不同调制周期的Al/Al2 O3 纳米多层膜，揭示了界面应力影响区（ISAZ）与剪切应力（τtol ）竞争导致的变形机制转变，发现调制周期≤20 nm时硬度符合Hall-Petch关系，≤10 nm时出现逆Hall-Petch现象，为高性能层状复合材料设计提供理论依据。

　　

在材料科学领域，金属/陶瓷纳米多层膜因其独特的"1+1>2"性能组合备受关注。然而，如何精确调控层间界面效应以优化力学性能，始终是研究者面临的挑战。特别是对于Al/Al₂
O₃
这种界面结合能高达9.7 J/m²
的体系，传统理论难以解释其纳米尺度下的反常力学行为。西安交通大学的研究团队在《Surface and Coatings Technology》发表的研究，通过系统改变调制周期（λ），首次揭示了Al/Al₂
O₃
纳米多层膜中由脆性断裂向协同塑性转变的临界机制。

研究采用磁控溅射技术制备了λ=10-300 nm的系列样品，结合SEM、TEM和纳米压痕测试分析微观结构与性能关联。关键发现包括：当λ≥20 nm时，Al层呈现直径50 nm的柱状晶生长，Al₂
O₃
层保持非晶态，硬度符合经典Hall-Petch关系；当λ降至10 nm时出现逆Hall-Petch效应，同时韧性显著提升。通过界面应力影响区（Interface Stress Affected Zone, ISAZ）模型分析，发现当λ减小至临界值时，Al₂
O₃
层在总剪切应力（τ_tol
）作用下发生非晶态塑性流动，与Al层形成协同变形。

微观结构部分显示，所有样品均保持清晰层状结构，未出现共格外延生长。力学性能测试表明λ=20 nm时硬度达峰值4.5 GPa，较单层膜提升300%。变形机制分析通过划痕实验证实：大周期样品以Al₂
O₃
层开裂为主，而λ=10 nm样品呈现连续波纹状变形带。

该研究不仅建立了ISAZ-τ_tol
竞争的理论框架，更为设计兼具高强韧性的纳米多层材料提供了新思路。特别是发现10 nm尺度下非晶陶瓷层可产生塑性变形，突破了传统陶瓷材料脆性认知，对开发新一代抗冲击防护涂层具有重要指导意义。研究获得国家自然科学基金（52002240）等项目支持，国际合作单位包括葡萄牙FCT和斯洛文尼亚ARIS研究所。