多靶磁控共濺合成nc-B4C-a-Ti和nc-B4C-a-Si3N4納米復(fù)合薄膜的研究.pdf

1、本文利用多靶磁控共濺射技術(shù)在Si(100)基底和不銹鋼基底上設(shè)計(jì)合成nc-B4C/a-Ti和nc-B4C/a-Si3N4納米復(fù)合薄膜。利用表面輪廓儀,納米力學(xué)測試系統(tǒng),摩擦磨損測試系統(tǒng)研究薄膜的內(nèi)應(yīng)力,表面硬度、彈性模量,薄膜與基底的附著力以及摩擦系數(shù)和耐磨性;還通過X射線衍射(XRD)和透射電子顯微鏡(TEM)等分析手段研究了薄膜的結(jié)構(gòu)特征;通過X射線光電子能譜測試(XPS)分析其成分和元素的化學(xué)結(jié)合方式。揭示實(shí)驗(yàn)參數(shù)和納米復(fù)合薄膜結(jié)

2、構(gòu),成分以及力學(xué)性能之間的相互關(guān)系,找出合成最佳的工藝,使復(fù)合層膜體系擁有較高的硬度和附著力,同時(shí)具有較低內(nèi)應(yīng)力和摩擦系數(shù),希望成為應(yīng)用于刀具的涂層材料,提高刀具的切削速率,延長刀具的使用壽命。使用B4C和Ti靶通過磁控共濺射方法在Si(100)基底和不銹鋼基底上制備nc-B4C/a-Ti納米復(fù)合層膜。主要討論了工作氣壓,基底溫度對薄膜結(jié)構(gòu)的形成與性能的影響。XRD表明復(fù)合薄膜中B4C成納米晶態(tài),而Ti幾乎全部為無定型態(tài),XRD也表明不

3、同的實(shí)驗(yàn)條件能導(dǎo)致不同的結(jié)晶狀態(tài),從而影響薄膜的力學(xué)性能,TEM圖像則清晰的顯示了典型的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。XPS顯示工作氣壓和基底溫度的變化對薄膜中各元素的結(jié)合方式幾乎沒有影響。當(dāng)基底溫度為400℃工作氣壓為0.5Pa時(shí),薄膜具有最高的硬度(42GPa)和臨界載荷(88mN)。室溫下合成的薄膜具有最低的摩擦系數(shù)(0.15)和較好的耐磨性。利用多靶共濺沉積系統(tǒng)制備了nc-B4C/a-Si3N4納米復(fù)合薄膜,主要分析了基底溫度和基底偏壓對薄膜結(jié)

4、構(gòu)與性能的影響。TEM顯示出了典型納米復(fù)合結(jié)構(gòu),XRD表明復(fù)合薄膜中B4C成納米晶態(tài),而Si3N4幾乎全部為無定型態(tài)。XPS顯示不同的基底偏壓會導(dǎo)致復(fù)合薄膜中B-N之間的結(jié)合方式發(fā)生變化,在偏壓為-100V條件下,復(fù)合薄膜中擁有較高含量的sp3-BN成分,這是導(dǎo)致薄膜力學(xué)性能提高的一個重要原因,而基底溫度對薄膜力學(xué)性能也有一定影響,當(dāng)溫度為400℃時(shí),出現(xiàn)最高的硬度(34GPa)和彈性模量(394GPa)。同時(shí),在偏壓達(dá)到-200V時(shí),

5、薄膜顯示了最高的臨界載荷為188mN。另外,與nc-B4C/a-Ti系列納米復(fù)合層膜相比,nc-B4C/a-Si3N4系列的納米復(fù)合薄膜體現(xiàn)更好的熱穩(wěn)定性和更低的摩擦系數(shù)。以上結(jié)果表明,本文利用多靶磁控共濺技術(shù)在Si(100)基底和不銹鋼基底上設(shè)計(jì)合成nc-B4C/a-Ti和nc-B4C/a-Si3N4納米復(fù)合薄膜,在一定優(yōu)選的工藝條件下,可以形成典型的納米復(fù)合結(jié)構(gòu),生成硬度高、附著力好、摩擦系數(shù)低的薄膜,有希望成為可以工業(yè)化的保護(hù)涂層