光学陶瓷纳米多层膜的变形行为：非周期结构的作用

本综述系统探讨了非周期性层厚设计对光学陶瓷纳米多层膜（NMs）力学性能的影响机制。研究通过磁控溅射制备了AlN/Al2O3（晶态/非晶态）、YSZ/Al2O3（晶态/非晶态）和AlN/YSZ（晶态/晶态）三种纳米多层膜体系，结合多光束干涉（MBI）递归算法优化光学透射率（＞90% UV-Vis-NIR波段），并采用纳米压痕（Nanoindentation）、微柱劈裂（Micropillar splitting）和维氏显微压痕（Vickers microindentation）等多尺度力学测试技术，揭示了非周期性层堆叠结构通过调控局部体积分数和界面特性（C/A界面显着优于C/C界面）实现光机协同优化的新范式，为高性能光学涂层的断裂韧性设计提供了重要理论依据。

　　

引言

纳米多层膜（NMs）是由纳米级厚度层堆叠构成的涂层体系，其高界面密度赋予材料性能可调性。陶瓷NMs采用AlN、Al₂O₃、YSZ等组分，兼具紫外-可见-近红外（UV-Vis-NIR）波段宽带透射性、化学惰性、热稳定性和高硬度等特点，广泛应用于红外窗口、抗反射涂层和耐磨涂层。虽然周期性双层结构对力学性能的优化已有研究，但非周期性层厚设计对光学性能的优化与力学失效间的关联仍不明确。光学涂层性能退化常与环境事件（热暴露、辐照或磨蚀）诱导的氧化和应力裂纹生长相关，因此理解非周期性结构对降解机制的响应至关重要。

材料设计与表征

研究通过磁控溅射在硼铝硅酸盐基底上制备了五组非周期性NMs：YSZ/Al₂O₃ MBI 74、AlN/YSZ MBI 82、AlN/Al₂O₃ MBI 78（光学优化组）以及AlN/YSZ 78、YSZ/Al₂O₃ 78（非光学优化对照组）。所有样品第二组分体积分数约束在70%–80%，光学优化组通过MBI递归算法实现＞90%的理论透射率。X射线衍射显示AlN为六方（1 0?1 1）织构，YSZ为立方相无择优取向，Al₂O₃呈非晶态。STEM截面表明非周期性层分布得以保持，C/C体系（如AlN/YSZ）界面粗糙度高于C/A体系，这与沉积条件相关。

光学性能分析

实验测得光学优化NMs平均透射率达91.0%，高于非优化组（88.7%）。YSZ/Al₂O₃ 78表现出最高平均透射率（95.2%）。透射率差异源于建模时采用550 nm单点椭偏仪测量的恒定折射率（AlN:2.18, Al₂O₃:1.77, YSZ:1.63），而实际光谱折射率存在波动。界面粗糙度（约3 nm）和层形态也会影响光学行为，表明需通过调整沉积参数和建模输入进一步提升性能预测精度。

力学行为与变形机制

纳米压痕测试显示NMs弹性模量介于142.5–174.8 GPa，硬度介于10.9–16.0 GPa。YSZ/Al₂O₃ MBI 74与YSZ/Al₂O₃ 78虽组分体积分数相近，但硬度差异显著（12.9 GPa vs. 15.6 GPa），表明层结构对力学性能的独立调控作用。微柱劈裂测试测得表观断裂韧性：YSZ/Al₂O₃ 78最高（3.5 MPa√m），AlN/YSZ MBI 82最低（1.6 MPa√m）。C/A体系（YSZ/Al₂O₃、AlN/Al₂O₃）断裂韧性显著优于C/C体系（AlN/YSZ），归因于非晶Al₂O₃层的增韧效应。

载荷-位移曲线显示YSZ/Al₂O₃ MBI 74出现非典型拐点而非位移突跃，暗示稳定裂纹扩展。断口形貌分析表明C/C体系（AlN/YSZ）呈现沿晶断裂和界面裂纹偏转，而C/A体系断口相对平坦。维氏压痕截面分析揭示：AlN/Al₂O₃ MBI 78在高AlN体积分数堆叠区出现分层和晶粒重取向；YSZ/Al₂O₃体系因高压缩应力（-612.7至-787.6 MPa）抑制裂纹扩展，表面无显著断裂特征。

断裂韧性设计空间

对比历史数据发现，含Al₂O₃的C/A体系NMs断裂韧性最高（2.9–3.5 MPa√m），A/A（TiO₂/SiO₂）和C/C（AlN/YSZ）体系较低（0.8–1.9 MPa√m）。非周期性层堆叠通过调控局部体积分数可诱导不同的失效模式，证明断裂路径的可设计性。材料选择、界面类型和层堆叠方式的协同作用为光学涂层的光机功能一体化提供了新思路。

结论

非周期性陶瓷NMs通过局部体积分数和界面特性的调控，实现了光学透射率与力学性能的协同优化。C/A界面（特别是含非晶Al₂O₃层）体系表现出最优的机械性能，YSZ/Al₂O₃ MBI 74更展现出稳定的裂纹扩展和应变适应能力。研究表明非周期性可作为光学陶瓷涂层的设计参数，通过定制化层堆叠结构控制断裂模式，为光机多功能涂层开发提供了重要理论基础。

实验方法

涂层采用磁控溅射制备，光学建模通过MBI递归算法实现。残余应力采用Stoney方程计算，纳米压痕采用连续刚度测量（CSM）技术并基板效应校正。微柱劈裂使用立方角压头，断裂韧性按K_c=γ·P_c/R^3/2公式计算。截面分析采用双束电镜（FIB-SEM）和透射电镜（STEM）完成，维氏压痕截面沿对角线方向制备。所有力学测试均考虑脆性材料特性和薄膜尺寸效应的影响。