纳米层状TiN/Nb涂层中架构驱动的形变与断裂行为：界面设计提升断裂抗性的新策略

本研究针对陶瓷/金属多层膜中氮化物与高温金属组合探索不足的问题，通过密度泛函理论(DFT)筛选30种XN/M和XC/M体系，优选TiN/Nb体系进行实验验证。采用非反应溅射制备不同双层周期(Λ)和厚度比(Γ)的多层膜，通过FIB微柱压缩测试揭示其形变受CLS（受限层滑移）机制主导。结果表明，低Γ体系展现更高压缩应变失效能力，而高TiN含量(Γ=6)则呈现脆性断裂，为极端环境涂层设计提供了韧性优化新路径。

　　

在高温、高应力环境下，涡轮叶片和切削工具等关键部件的性能极限不断被挑战。传统单相涂层难以兼顾硬度和韧性，而陶瓷/金属多层膜通过"软硬交替"的架构设计展现出独特优势。然而，氮化物与高熔点金属（如V、Nb、Ta等）的组合长期缺乏系统研究，尤其界面效应对断裂抗性的调控机制尚不明确。更棘手的是，在反应性沉积过程中，强氮化物形成元素易导致金属层氮化，破坏设计的界面特性。

为解决这些问题，来自奥地利的研究团队通过高通量密度泛函理论(DFT)计算，从30种过渡金属氮化物/碳化物(XN/XC)与高温金属(M)组合中，筛选出界面结合强、弹性对比显著的TiN/Nb体系。该团队采用非反应磁控溅射技术，精确控制TiN与Nb层的厚度比(Γ=1-6)和双层周期(Λ=50-450nm)，成功制备出具有半共格界面的纳米层状结构。通过聚焦离子束(FIB)制备微柱并结合原位SEM压缩测试，首次系统揭示了TiN/Nb多层膜的"架构-性能"关系。

研究主要采用四大关键技术：1) 基于VASP软件的DFT计算预测界面稳定性和力学性能；2) 非反应磁控溅射结合旋转基板实现交替沉积；3) FIB三维加工制备不同直径(485-1250nm)的微柱阵列；4) 原位SEM纳米压痕仪进行压缩测试，配合TEM分析变形机制。

3.1 基于第一性原理筛选的材料选择
DFT计算显示TiN/Nb具有最低形成能(-1.966eV/at)和最高界面结合能(ΔE_cl)，其弹性模量差异(ΔE)达366GPa，有利于应力场重分布。相比TiN/V，TiN/Nb还具备更优的抗氧化性，因此被选为实验研究对象。

3.2 薄膜沉积与结构表征
XRD和TEM证实非反应沉积成功避免了Nb氮化，SAED衍射显示TiN(fcc)和Nb(bcc)分别保持各自晶体结构。在Γ=1的样品中，HR-TEM观察到清晰的(100)_fcc∥(110)_bcc取向关系，界面位错间距约5nm。

3.3 断裂应力与形貌特征
微柱压缩测试揭示显著尺寸效应：485nm直径支柱普遍展现更高塑性，而1250nm支柱更易脆性断裂。当Γ从1增至6时，压缩应变失效从>15%骤降至<5%，对应R_p0.2从4.2GPa提升至11.7GPa。SEM显示塑性变形主要集中于Nb层，TiN层则发生穿晶/沿晶混合断裂。

3.4 受限层滑移模型
通过CLS模型定量分析发现，当Nb层厚度?_Nb从210nm减至7nm时，屈服强度与ln(R/r₀)/r呈线性关系(R²=0.83)，斜率32.4GPa·?对应{110}〈111〉滑移系主导变形。Γ=6且?_Nb=7nm时，力学响应趋近单相TiN，表明Nb层塑性贡献消失。

3.5 TEM变形机制分析
Γ=1样品中，210nm厚Nb层通过位错滑移吸收裂纹能量，而55nm周期样品则出现Nb层剪切带与TiN层解理断裂的协同失效。FFT分析证实TiN沿(111)面断裂，但界面未发生分层，与DFT预测的高界面强度一致。

这项研究通过多尺度方法建立了TiN/Nb多层膜"成分-结构-性能"的定量关系，证明通过调控Λ和Γ可实现从韧性到强度的按需设计。特别值得注意的是，当?_Nb>21nm时，CLS机制能有效阻止裂纹扩展，这为开发抗热震涂层提供了新思路。相比TiN/Cu等体系，TiN/Nb在保持400℃以上热稳定性方面更具优势，但其产业化仍需解决大尺寸沉积的应力控制问题。该成果发表于《Materials》期刊，为极端环境涂层设计建立了可推广的材料筛选-制备-评价方法论。