Tóm tắt Luận án Nghiên cứu vi cấu trúc và cơ tính của các vật liệu phủ ngoài

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ TRANG NGHIÊN CỨU VI CẤU TRÚC VÀ CƠ TÍNH CỦA CÁC VẬT LIỆU PHỦ NGOÀI Chuyên ngành : VẬT LÝ KỸ THUẬT Mã số: 62520401 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2016 2 Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. LÊ VĂN VINH 2. PGS.TSKH. PHẠM KHẮC HÙNG Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi.giờ....ngày ..tháng .năm . Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu -Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong thập kỷ vừa qua, việc nghiên cứu một số vật liệu phủ cứng và siêu cứng như lớp phủ nanocomposite gồm pha tinh thể nanô (Ti,Al)N trên nền Si3N4 vô định hình hay lớp phủ có cấu trúc đa lớp CrN/AlSiN và CrN/AlBNvới các tính chất đặc biệt như khả năng chống ăn mòn, chống mài mòn, chống ma sát vượt trội đã và đang được phát triển rộng rãi. Đây là nhóm vật liệu có nhiều ứng dụng quan trọng trong một số lĩnh vực như công nghệ chế tạo các dụng cụ cắt gọt, các dụng cụ chống ma sát hay trong các ngành công nghiệp như công nghiệp ô tô hoặc công nghiệp hàng không. Trong đó, các lớp vật liệu Si3N4, AlSiN, AlBN đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường cơ tính của các vật liệu phủ. Những hiểu biết về cấu trúc, cũng như cơ tính hay các yếu tố ảnh hưởng đến cơ tính của chúng là hết sức quan trọng trong việc thiết kế, chế tạo các vật liệu phủ có các tính chất ưu việt hơn. Mặc dù các vật liệu này đã được nghiên cứu bởi cả thực nghiệm và lý thuyết, vẫn tồn tại một số vấn đề về cấu trúc, cơ tính cũng như cơ chế tăng cường cơ tính cần được làm sáng tỏ. Ví dụ sự thay đổi của cấu trúc và cơ tính của Si3N4 VĐH ở nhiệt độ cao hoặc sự thay đổi của cấu trúc khi chịu tải trọng lớn, ảnh hưởng của nhiệt độ, nồng độ Si lên cấu trúc và cơ tính của lớp phủ đa lớp CrN/AlSiN cũng như lớp AlSiN. Xuất phát từ những nguyên nhân kể trên, đề tài luận án: “ Nghiên cứu vi cấu trúc và cơ tính của các vật liệu phủ ngoài” đã được chọn. Đề tài có sự kế thừa các kết quả thực nghiệm và được thực hiện bằng phương pháp mô phỏng. Luận án đặt vấn đề tìm hiểu rõ hơn các yếu tố ảnh hưởng đến cơ tính của các vật liệu phủ đa lớp CrN/AlSiN và CrN/AlBN. Các vật liệu phủ đa lớp này đã được các cộng sự trong nhóm chế tạo tại phòng thí nghiệm bề mặt tiên tiến, trường đại học Ulsan, Hàn Quốc. Sau đó, tôi đã tham gia vào quá trình phân tích các dữ liệu thực nghiệm. Kết quả phân tích các dữ liệu này cho thấy nồng độ Si và cấu trúc của lớp AlBN ảnh hưởng tương đối lớn đến cơ tính của các vật liệu phủ trên. Tuy nhiên, làm sáng tỏ sự tăng cường cơ tính của các lớp phủ trên bằng thực nghiệm là một nhiệm vụ hết sức khó khăn. Do đó trên cơ sở các kết quả thực nghiệm đã nhận được, ý tưởng sử dụng phương pháp mô phỏng để giải thích rõ cơ chế tăng cường cơ tính của lớp AlSiN trong vật liệu phủ đa lớp CrN/AlSiN, cũng như cơ chế tăng cường cơ tính của hệ CrN/AlBN/CrN khi nguyên tử B khuếch tán vào tinh thể AlN trong lớp AlBN được hình thành và thực hiện. Đồng thời, cũng bằng phương pháp mô phỏng, luận án tiến hành làm rõ hơn bức tranh về cấu trúc vi mô và cơ chế tăng cường cơ tính của hệ Si3N4 VĐH, một trong hai pha cấu thành nên vật liệu phủ ngoài nanocomposite. 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là vật liệu phủ ngoài CrN/AlSiN và lớp vật liệu AlSiN, vật liệu phủ ngoài CrN/AlBN và hệ CrN/AlBN/CrN, hệ Si3N4 ở trạng thái VĐH. Nội dung nghiên cứu của luận án tập trung vào các vấn đề sau đây: 1) Ảnh hưởng của nồng độ Si lên cấu trúc, tính chất cơ học của vật liệu phủ ngoài CrN/AlSiN, ảnh hưởng của nhiệt độ, nồng độ Si lên cấu trúc vi mô cũng như cơ tính của lớp vật liệu AlSiN; 2) Mối tương quan giữa các đặc trưng cấu trúc và cơ tính của vật liệu phủ ngoài CrN/AlBN, ảnh hưởng của cấu trúc lớp AlBN lên cơ tính của hệ CrN/AlBN/CrN; 3) Mối liên hệ giữa các đặc trưng cấu trúc và cơ tính của Si3N4 VĐH cũng như sự thay đổi cấu trúc vi mô của hệ khi chịu tải trọng lớn. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên vi cấu trúc và cơ tính của hệ Si3N4 VĐH. 3. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp lắng đọng hồ quang plasma và các phương pháp phân tích vật liệu phủ ngoài: XRD, SEM, TEM, EPMA, XPS, SIMS, đo độ cứng, đo độ mòn, đo ứng suất. Phương pháp mô phỏng ĐLHPT, mô phỏng HPT, các phương pháp phân tích vi cấu trúc thông qua hàm PBXT; PBGLK; phân bố simplex; phân bố quả cầu LH; phương pháp phân tích lân cận chung. Phương 2 pháp Monte-Carlo được dùng để xác định thể tích của các quả cầu lỗ hổng. Phương pháp nén dãn đơn trục mô hình để nghiên cứu cơ tính của vật liệu 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Luận án cung cấp các thông tin về ảnh hưởng của nồng độ Si lên cấu trúc, cơ tính của vật liệu phủ ngoài CrN/AlSiN và ảnh hưởng của áp suất khí nitơ (PN), nhiệt độ của đế (TS) lên các thuộc tính cấu trúc cũng như cơ tính của vật liệu phủ ngoài CrN/AlBN. Luận án chỉ ra ảnh hưởng của nhiệt độ, nồng độ Si lên cấu trúc vi mô, cơ tính của lớp vật liệu AlSiN. Đồng thời, luận án chỉ rõ ảnh hưởng của cấu trúc lớp AlBN đến tính chất cơ học của hệ CrN/AlBN/CrN. Luận án cung cấp các thông tin chi tiết về cấu trúc vi mô và cơ tính của vật liệu Si3N4 VĐH khi mật độ hay nhiệt độ thay đổi cũng như sự thay đổi của cấu trúc vi mô của Si3N4 VĐH khi chịu biến dạng với ứng suất lớn. 5. Những đóng góp mới của luận án Luận án đã chỉ ra mối tương quan giữa nồng độ Si trong lớp phủ AlSiN và cơ tính của vật liệu phủ ngoài CrN/AlSiN. Đồng thời chỉ ra ảnh hưởng của nhiệt độ đế (TS) và áp suất khí nitơ (PN) lên vi cấu trúc, cơ tính của vật liệu phủ ngoài CrN/AlBN. Luận án đã giải thích rõ được cơ chế tăng cường cơ tính của của vật liệu phủ ngoài CrN/AlSiN khi nồng độ Si tăng là do sự thay đổi đáng kể của tỉ phần các đơn vị cấu trúc SiNx trong lớp AlSiN. Quá trình nguội nhanh gây nên quá trình tinh thể hóa AlN trên nền Si3N4 VĐH, kết quả là mô-đun đàn hồi của vật liệu Al1-xSixN được tăng cường. Luận án đã chỉ ra cơ chế tăng cường cơ tính của hệ CrN/AlBN/CrN là do kích thước của tinh thể AlBN tăng khi Bo khuếch tán vào tinh thể AlN trong lớp AlBN. Luận án đã giải thích rõ cơ chế tăng cường cơ tính của vật liệu Si3N4 VĐH là do sự thay đổi tỉ phần đơn vị cấu trúc SiNx, đồng thời chỉ ra rằng cấu trúc vi mô và cơ tính của vật liệu Si3N4 VĐH ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. 6. Cấu trúc của luận án Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án được chia thành 4 chương: Chương 1: Tổng quan (Trình bày tổng quan về các vật liệu phủ ngoài cứng và siêu cứng cũng như cơ chế tăng cường độ cứng của chúng. Đồng thời trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu vi cấu trúc cũng như cơ tính của các hệ AlSiN, AlBN, Si3N4 VĐH, một trong các vật liệu cấu thành nên các vật liệu phủ ngoài). Chương 2: Phương pháp mô phỏng và phương pháp chế tạo vật liệu phủ ngoài (Trình bày phương pháp mô phỏng ĐLHPT, HPT, các phương pháp phân tích cấu trúc vi mô và phương pháp mô phỏng biến dạng để nghiên cứu cơ tính của các mẫu vật liệu mô phỏng. Tiếp theo, trình bày về phương pháp chế tạo vật liệu phủ ngoài bằng lắng đọng hồ quang plasma và một số phương pháp phân tích vật liệu phủ ngoài). Chương 3: Vật liệu phủ ngoài CrN/AlSiN và CrN/AlBN (Trình bày ảnh hưởng của nồng độ Si lên cấu trúc, cơ tính của vật liệu phủ ngoài CrN/AlSiN. Đồng thời trình bày ảnh hưởng của áp suất khí nitơ (PN) và nhiệt độ của đế (TS) lên cấu trúc và cơ tính của vật liệu phủ ngoài CrN/AlBN). Chương 4: Hệ AlSiN, CrN/AlBN/CrN và Si3N4 VĐH (Trình bày ảnh hưởng của nhiệt độ, nồng độ Si lên vi cấu trúc, cơ tính của lớp vật liệu AlSiN và cơ chế phân ly của các pha dung dịch rắn Al1-xSixN. Trình bày ảnh hưởng của cấu trúc của lớp AlBN đến tính chất cơ học của hệ CrN/AlBN/CrN. Đồng thời trình bày ảnh hưởng của mật độ, của nhiệt độ lên cấu trúc vi mô, cơ tính của Si3N4 VĐH và sự thay đổi của cấu trúc vi mô của Si3N4 VĐH khi chịu biến dạng với ứng suất lớn). Chương 1. TỔNG QUAN Hiện nay, các lớp phủ cứng khác nhau đã và đang được sử dụng rộng rãi để nâng cao hiệu 3 suất và gia tăng tuổi thọ của các thiết bị. Tuy nhiên, các lớp phủ cứng thông thường như titanium nitride (TiN) hay chromium nitride (CrN) không đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu trong nhiều ứng dụng khác nhau. Các giải pháp kỹ thuật cho các ứng dụng liên quan đến khả năng chống ma sát giữa các phần của các công cụ và khả năng chịu ứng suất lớn của các thiết bị trong các ngành công nghiệp như công nghiệp ô tô hoặc công nghiệp hàng khôngđòi hỏi chế tạo ra những vật liệu có độ cứng cao, có khả năng chống ăn mòn, chống mài mòn, chống ma sát vượt trội. Trong thập kỷ vừa qua, việc nghiên cứu một số vật liệu phủ cứng (độ cứng nhỏ hơn 40 GPa) và siêu cứng (độ cứng lớn hơn hoặc bằng 40 GPa) với các tính chất đặc biệt đã được phát triển, thậm chí đã được đưa vào ứng dụng trong công nghiệp. Về cơ bản, cần phân biệt hai nhóm vật liệu phủ khác nhau. Nhóm vật liệu đầu tiên bao gồm các vật liệu bản thân nó đã cứng và siêu cứng như cácbon dạng kim cương (diamond like carbon-DLC), kim cương, boron nitride BN lập phương. Nhóm thứ hai bao gồm các vật liệu có cấu trúc nano như nanocomposite và nanomultilayer Gần đây, vật liệu phủ ngoài (Ti,Al)N đã được chế tạo thành công trong đó nguyên tố Al được đưa vào mạng TiN tạo thành lớp vật liệu siêu bền. Sự hình thành lớp ôxít nhôm đậm đặc bám chặt trên lớp vỏ cứng dẫn đến khả năng ứng dụng vật liệu này trong vùng nhiệt độ cao do khả năng chống oxy hóa được cải thiện đáng kể (J. Appl. Phys. Vol. 67, pp. 1542-1553 (1990)). Khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao và độ cứng của vật liệu phủ ngoài cũng được nâng cao hơn bằng cách thêm một lượng nhỏ Si vào (Ti,Al)N. Việc đưa thêm nguyên tố Al và đặc biệt là Si vào vật liệu phủ ngoài (Ti,Al)N tạo thành vật liệu nanocomposite với các pha vật liệu tinh thể (tt-) TiN, tinh thể AlN và vô định hình (VĐH-) Si3N4 (Surf. Coat. Technol. Vol. 98, pp. 912-917 (1998), Surf. Coat. Technol. Vol. 146-147, pp. 215-221 (2001)). Việc nghiên cứu và ứng dụng vật liệu phủ ngoài nanocomposite có khả năng hồi phục cao khi chịu biến dạng như vật liệu cứng, siêu bền tt- TiC/VĐH-C (J. Appl. Phys. Lett. 82(2), pp. 855-858 (1997)), vật liệu siêu cứng, có độ dẻo cao tt- MeN/VĐH-Si3N4 (J. Vac. Sci. Technol. A, Vol. 17, pp. 2401-2420 (1999)), trong đó Me = Ti, Cr, W, V, Zr, là các kim loại chuyển tiếp, đã được phát triển rộng rãi. Mặc dù cả hai loại vật liệu nanocomposite trên đều được tạo thành bởi các hạt tinh thể nano trên nền vật liệu vô định hình nhưng do có cấu trúc khác nhau nên chúng thể hiện những tính chất vật lý hoàn toàn khác nhau. Kết quả nghiên cứu cho thấy tất cả các vật liệu phủ ngoài nanocomposite cứng hoặc siêu cứng đều chứa hai pha khác nhau, hoặc cả hai pha đều là tinh thể hoặc một pha là tinh thể, một pha là vô định hình. Các pha này xen kẽ với nhau, mỗi pha có kích thước cỡ nano mét. Loại vật liệu nanocomposite có pha tinh thể kết hợp với pha vô định hình trong đó hạt nano tinh thể được bao bọc bởi vật liệu nền vô định hình thể hiện nhiều tích chất ưu việt như độ cứng cao, bền nhiệt, chống ăn mòn hóa học, chống ma sát tốt, v.vTrong đó vật liệu phủ ngoài nanocomposite siêu cứng có thành phần hóa học khác nhau "Ti-Si-N" là hệ được nghiên cứu nhiều nhất (Thin Solid Films, Vol. 476, pp. 1-29 (2005)). S. Li và cộng sự đã chế tạo thành công vật liệu phủ siêu cứng "Ti-Si-N" đầu tiên bằng quá trình lắng đọng hơi hóa học cảm ứng (Plasma Chem. Plasma Process. 12, pp. 287-297 (1992)). Li cho rằng độ cứng được tăng cường do sự tăng kích thước của các hạt dẫn đến thay đổi sự dính kết tự nhiên giữa hạt nano và ma trận TiN. Theo kết quả nghiên cứu của nhóm Li và nhóm S.Veprek, độ cứng của vật liệu phủ ngoài có giá trị lên đến 60-70 GPa có thể do cấu trúc của nó gồm ba thành phần tt-TiN/vđh-Si3N4/vđh-TiSi2 (Appl. Phys. Lett. 66, pp. 2640-2642 (1995), Surf. Coat. Technol. 146-147, pp. 183-188 (2001), Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 581, pp. 321-326 (2000), Surf. Coat. Technol. 133-134, pp. 152-159 (2000)). Một trong những ưu điểm của vật liệu nanocomposite tt- TiN/vđh-Si3N4 là khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao lên đến 800 oC do có lớp SiNx bền vững, đậm đặc trên bề mặt, cản trở sự khuếch tán của oxy trên bề mặt của vật liệu (Thin Solid Films, Vol. 476, pp. 1-29 (2005)). Đến nay, vật liệu phủ ngoài đa lớp đã thu hút sự chú ý của rất nhiều nhà nghiên cứu thực 4 nghiệm và lý thuyết. Kết quả ban đầu thu được từ quá trình nghiên cứu vật liệu phủ ngoài đa lớp cổ điển, bao gồm hai pha vật liệu sắp xếp xen kẽ nhau tuần tự với độ dày từng lớp khác nhau, cho thấy các đặc tính của vật liệu phủ ngoài tăng mạnh khi chu kỳ hai lớp (Λ) của lớp phủ hoặc kích thước của các tinh thể trong vật liệu tạo lớp phủ giảm. Bên cạnh các tính chất riêng của từng lớp vật liệu tạo nên vật liệu phủ ngoài, biên giới hạt và lớp tiếp giáp giữa các lớp cũng đóng vai trò quan trọng đối với đặc tính của lớp phủ. Lớp phủ đa lớp bao gồm những lớp vật liệu nitride rất mỏng (2∼16 nm), được lắng đọng bằng phương pháp phún xạ magnetron và hồ quang plasma có độ cứng cao. Loại lớp phủ đặc biệt này là đối tượng của nhiều nghiên cứu gần đây nhằm xác định cơ chế tăng cường độ cứng. Chu kỳ hai lớp Λ là thông số quan trọng nhất quyết định tính chất của lớp phủ, lớp phủ có độ cứng cao khi Λ khoảng 5∼10 nm. Một số nguyên nhân khác đã được chỉ ra như sự ngăn chặn lan truyền các sai lệch mạng của mặt tiếp giáp giữa các lớp, hiệu ứng Hall-Petch, hiệu ứng biến dạng ở mặt tiếp giáp giữa các lớp, hiệu ứng supermodulus. Sự lan truyền sai lệch mạng bị ngăn chặn khi hai lớp liên tiếp nhau trong lớp phủ đa lớp có mô-đun trượt khác nhau dẫn đến năng lượng đường lệch mạng khác nhau. Trong trường hợp này, sai lệch mạng xuất hiện trước tiên trong lớp có mô-đun trượt thấp. Để sai lệch mạng lan truyền sang lớp có mô-đun trượt lớn hơn cần một ứng suất lớn hơn so với ứng suất cần thiết để dịch chuyển sai lệch mạng chỉ bên trong lớp có mô-đun trượt thấp. Hiệu ứng Hall-Petch ban đầu được sử dụng để giải thích sự gia tăng độ cứng khi giảm kích thước hạt trong kim loại có số lượng lớn các đa tinh thể sau đó được sử dụng để giải thích cơ chế gia tăng độ cứng của lớp phủ đa lớp. Các phép đo gần đây thực hiện với lớp phủ đa lớp kim loại cho thấy mô-đun đàn hồi của nó tăng đáng kể, gọi là hiệu ứng supermodulus. Lớp phủ đa lớp được chia thành hai loại: đồng cấu trúc và dị cấu trúc. Lớp phủ đa lớp dị cấu trúc bao gồm các lớp có cấu trúc khác nhau và cơ chế trượt lệch mạng khác nhau nên sự lan truyền sai lệch mạng qua mặt tiếp giáp giữa các lớp trở nên khó khăn. Một số lớp phủ đa lớp nitride dị cấu trúc đã được chế tạo thành công bao gồm TiN/AlN (J. Vac. Sci. Technol. A, 16, pp. 3341-3347 (1998), Surf. Coat. Technol. 86, pp. 225-230 (1996)), CrN/(Al,Si)N (Surf. Coat. Technol. Vol. 200, pp. 1519-1523 (2005), Surf. Coat. Technol. Vol.204, pp. 936-940 (2009), Surf. Coat. Technol. Vol. 202, pp. 5400-5404 (2008)) và (Ti,Cr)N/(Al,Si)N (Surf. Coat. Technol. Vol. 203, pp.1343-1348 (2009), Surf. Coat. Technol. Vol. 202, pp. 5395-5399 (2008)). Trong các lớp phủ đa lớp này, lớp (Al,Si)N thường có cấu trúc tinh thể lục giác, tuy nhiên tồn tại cả cấu trúc tinh thể lập phương hoặc cấu trúc vô định hình. Độ cứng của các lớp phủ này có thể lên đến 40 GPa. Như vậy, vật liệu Si3N4 đóng vai trò quan trọng trong vật liệu phủ nanocomposite MeN/VĐH- Si3N4 hoặc vật liệu phủ đa lớp MeN/VĐH-Si3N4. Ngoài các cơ chế tăng cường cơ tính cho các vật liệu phủ như hiệu ứng ảnh, hiệu ứng Hall-Petch, hiệu ứng supermodulus và sự lan truyền sai lệch mạng trong các lớp, tính chất của lớp vật liệu VĐH-Si3N4 cũng đóng vai trò quan trọng lên cơ tính của các vật liệu phủ. Do đó, việc hiểu biết rõ về vật liệu VĐH-Si3N4 sẽ đem lại lợi ích trong việc thiết kế, chế tạo các vật liệu phủ có các tính chất ưu việt hơn. Liên kết giữa các nguyên tử trong các vật liệu này là liên kết mạnh và định hướng tự nhiên. Cấu trúc của Si3N4 VĐH được tạo bởi các mạng lưới gồm các ion dương Si có hóa trị mạnh với các ion âm N liên kết chặt trong lớp phối trí lân cận. Các cấu trúc kiểu này có tính chất phụ thuộc mạnh vào quá trình nhiệt-cơ trước đó (Eur. Phys. J. B 75, pp. 405-413(2010)). Do có độ bền cơ học cao, khả năng chịu mài mòn tốt, khả năng kháng hóa chất và chống sốc nhiệt tốt nên Si3N4 VĐH ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp ô tô, hóa chất hay cơ khí chế tạo các dụng cụ cắt gọt Vật liệu phủ ngoài Si3N4 VĐH được chế tạo bởi kỹ thuật lắng đọng hơi hóa học (CVD) và kỹ thuật lắng đọng hơi vật lý (PVD) đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều thập kỷ gần đây. Cấu trúc của vật liệu phủ ngoài Si3N4 đã được xác định bằng thực nghiệm nhiễu xạ tia X, nơtron và điện tử (J. Non-Cryst. Solids, 33, pp. 5 131-139 (1979), . J. Non-Cryst. Solids 34, pp. 313-321 (1979), Phys. Status Solidi A, Vol. 119, p. 113 (1990)). Kết quả cho thấy độ dài liên kết Si-N là 1,729 Å và 1,75 Å, trong khi đó số phối trí của nguyên tử Si là 3,63, 3,87 và 3,70. Góc liên kết trung bình N-Si-N và Si-N-Si lần lượt là 109,80 và 1210. Các mô hình Si3N4 VĐH khác nhau đã được xây dựng bởi phương pháp mô phỏng như động lực học phân tử, giản đồ hàm mật độ và mô hình tập hợp ngẫu nhiên liên tục. Các mô hình với mật độ thay đổi từ 2,0 g.cm-3 đến 3,2 g.cm-3 đã chỉ ra rằng cấu trúc vi mô như số phối trí, độ dài liên kết, góc liên kết phù hợp với thực nghiệm. Với vật liệu Si3N4, cơ tính được đặc biệt quan tâm bởi vật liệu này cấu thành các vật liệu phủ ngoài có độ cứng cao và chịu mài mòn tốt. Cơ tính của vật liệu Si3N4 VĐH đã được nghiên cứu bởi cả thực nghiệm (J. Appl. Phys. 95, pp. 1667-1672 (2004), J. Appl. Phys. 94, pp. 7868-7873 (2003), Phys. Rev. B 64, pp. 165305-165310 (2001)) và mô phỏng (Europhys. Lett. 33, pp. 667-672 (1996), Appl. Phys. Lett. 82, pp. 118-120 (2003), Phys. Rev. Lett. 75, pp. 3138-3141 (1995)). Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng mô-đun đàn hồi Iâng có giá trị từ 70 GPa đến 320 GPa phụ thuộc vào sự thay đổi cấu trúc tương ứng với sự thay đổi mật độ của mô hình từ 2,0 đến 3,4 g.cm-3. Ometltchenko và cộng sự (Europhys. Lett. 33, pp. 667-672 (1996)) đã chỉ ra rằng có một lượng lớn các quả cầu lỗ hổng kết cụm lại với nhau, những lỗ hổng này có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất cơ học của Si3N4. Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu cấu trúc và cơ tính của Si3N4 VĐH ở trên mới chỉ được thực hiện tại nhiệt độ phòng, hơn nữa sự thay đổi cấu trúc địa phương của các hệ Si3N4 VĐH khi chịu sức căng lớn cũng chưa được nghiên cứu. Ở nhiệt độ cao hoặc khi chịu tải trọng lớn cấu trúc và cơ tính của Si3N4 VĐH thay đổi như thế nào vẫn còn là một vấn đề cần làm rõ. Vật liệu phủ ngoài Chromium nitride (CrN) đã và đang được sử dụng rộng rãi làm lớp phủ bảo vệ cho dao cắt của các dụng cụ cắt gọt hay mũi khoan của các máy khoan do nó có khả năng chống mài mòn, chống ăn mòn, khả năng chống ma sát vượt trội và ứng suất nội thấp. Tuy nhiên, khả năng ứng dụng lớp phủ CrN bị giới hạn do CrN không phải là lớp phủ siêu cứng (độ cứng ~ 22 GPa) và dễ dàng bị oxy hóa ở nhiệt độ 900 0C. Để khắc phục hạn chế này của lớp phủ CrN, người ta đã áp dụng một trong hai phương pháp, hoặc là bổ sung thêm các nguyên tố khác như Si, Al hoặc B vào CrN (Appl. Surf. Sci. 255, pp. 4425-4429 (2009), Surf. Coat. Technol. Vol. 201, pp. 5223- 5227 (2007), Surf. Coat. Technol. Vol. 205, pp. 2730-2737 (2011), Vacuum, Vol. 87, pp. 191-194 (2013), Surf. Coat. Technol. Vol. 213, pp. 1-7 (2012), Surf. Coat. Technol. Vol. 201, pp. 1348-1351 (2006)) hoặc là tạo ra lớp phủ nano đa lớp dựa trên lớp CrN (Surf. Coat. Technol. Vol. 202, pp. 5400-5404 (2008), Appl. Surf. Sci. 252, pp. 1339-1349 (2005), Surf. Coat. Technol. Vol. 214