沈阳材料科学国家（联合）实验室固体原子像研究部  王绍青

金属材料具有良好的可塑性、易于加工成型，在工业生产和日常生活中应用非常广泛。然而，在很多金属材料中存在着硬度较低、易受腐蚀侵害、不耐磨损等典型缺点。如何充分发挥这些材料的特长同时避免其不利因素带来的影响是在应用中所需急待解决的关键问题。采用抗腐蚀、耐磨损的超硬材料对常规金属材料进行表面镀膜是解决该难题的一个简单有效途径。但是由于实验条件的制约，人们对由此产生的金属/陶瓷界面的原子结合特别是金属与极性陶瓷界面结合的微观机理尚知之甚少。这种情况对生产制备过程中镀膜材料的选取和制备工艺的优化都造成了相当困难。本课题组在“材料计算设计与性能预测基础问题” 973国家基础研究重大项目的“界面物理匹配与结构设计”子项目资助下，对若干金属材料与超硬陶瓷界面的原子结合机理进行了详细的计算研究和理论分析。

我们采用密度泛函理论框架下的第一原理平面波赝势计算方法研究了A/lTiN[1]、Al/TiC[2]和Ti/TiN[3]所形成极性金属/陶瓷界面的原子结合情况。计算时电子的交换-相关能采用GGA-PW91近似。为加快计算过程，原子赝势采用了Vanderbilt超软形式的赝势。通过计算获得了这些界面的优化原子结构、界面粘合功和界面电子结构方面的信息，详细分析了界面区域原子的成键方式与电荷转移情况对界面粘合强度的影响。

通过研究发现，同种金属/陶瓷界面的粘结强度与陶瓷表面层的原子种类密切相关。金属与表面层为非金属原子的极性陶瓷粘合强度较高，当陶瓷表面层为金属原子时粘合强度偏低。差分电荷密度分析结果表明，在可粘合的两相界面上一般会发生电荷积累。在金属与非金属原子结合的界面上，积累电荷强烈地偏向于非金属原子一侧，从而使得在界面区域的金属与非金属原子之间形成强极性共价键[1，2]。在金属与金属原子结合的界面上，积累电荷区域延展范围较大，但基本上沿界面横扩展。两相原子之间的成键特征类似于弱局域化的金属键[1，3]。基于以上理论结果可以预期：为实现金属与表面陶瓷涂层材料的高强度粘合，以非金属原子作为陶瓷涂层的第一层原子为佳。但是，这种界面增强效果随着材料的不同也存在着很大差异：对于Ti/TiN界面，粘结强度可提高一倍以上而Al/TiN界面的提高幅度只有11%左右。因此，需要就不同的金属材料选择恰当的陶瓷涂层并应针对陶瓷材料的具体结构优化制备工艺。

关于如何才能有目的地在生产中控制金属/陶瓷界面处原子种类的问题，我们特别分析计算了采用气相沉积技术在Al表面镀膜TiN陶瓷层的过程。通过物理或化学气相沉积镀膜是对小尺度金属器件进行表面覆层的常用办法。我们的分析结果表明，通过调节气相沉积过程中氮气的偏压即可实现对Al/TiN界面原子结构的有效控制[1]。

目前我们正在进行的工作包括大晶格失配异相界面问题的第一原理计算方法研究、异质界面的原子间相互作用势问题与分子动力学模拟方法研究和偏析原子对异质界面结合强度影响的研究等。拟通过对固体材料界面结合微观机理及其规律的认识，发展固体材料界面的优化设计方法。

参考文献

[1] L. M. Liu, S. Q. , H. Q. Ye, Acta Mater. 52, 3681 (2004).

[2] L. M. Liu, S. Q. , H. Q. Ye, Surf. Sci. 550, 46 (2004).

[3] L. M. Liu, S. Q. Wang, H. Q. Ye, Surf. & Interf. Anal. 35, 835 (2003).