納米結構碳氮基薄膜的設計與機械性能.pdf

1、本文設計并采用直流磁控濺射技術制備了兩相納米結構碳氮膜、類富勒烯(Fullerene like,FL)結構碳氮、含鈦非晶碳氮薄和碳氮基納米多層膜,并對碳氮基薄膜的組織結構、表面形貌和機械性能進行了分析研究。探索了薄膜組織結構和機械性能的變化規(guī)律與內在機理。
　　 1)采用磁控濺射+高溫退火處理兩步法在Si基體上成功制備了由晶態(tài)小顆粒和非晶態(tài)基體組成的兩相納米結構碳氮薄膜。這些納米晶顆粒在非晶基體中分布均勻,且隨退火時間的增加,顆

2、粒尺寸逐漸變大,直徑約為2-10nm,這些晶態(tài)顆粒為β-C3N4結構的理論超硬碳氮相。復合結構碳氮薄膜達到高的硬度40GPa,且硬度不隨退火時間的變化而大幅度波動。
　　 2)在沉積溫度450℃、不同氮氣分數條件下制備了碳氮膜。當氮氣分數從0.05-0.10時,薄膜從非晶結構轉變?yōu)榫哂蓄惛焕障?FL)微結構,在全。N2氣氛下生成了納米晶石墨/非晶復合結構特征的碳氮膜。不同N2分數下制備的碳氮薄膜微結構差別主要在于彎曲的石墨基片曲

3、率大小不同。結合HRTEM、XANES、Raman分析確認富勒烯碳氮薄膜的生成主要是由于C-sp3交聯引起的。與非晶碳氮薄膜相比,FL-CNx薄膜具有的高硬度和很好的回復性能,且薄膜在潮濕環(huán)境和真空環(huán)境都展示較低的摩擦系數,對環(huán)境敏感性較低。
　　 3)采用直流磁控濺射制備了不同調制周期(Λ=4.2 nm、8.7 nm、15 nm和40.5nm)的TiN/CNx納米多層膜。Λ=4.2 nm的多層膜具有最低磨損率8.5～9.8×1

4、0-17 m3N-1m-1、最小摩擦系(0.18)和最高硬度32 Gpa。Λ=40.5 nm的多層膜摩擦系數和磨損率分別為0.32和5.2~7.8×10-16 m3 N-1 m-1,硬度為24 Gpa。較小調制周期的多層膜有好的耐磨性能和高的硬度。同時在100℃、300℃和500℃沉積溫度下制備Λ=16.5 nm的一組TiN/CNx多層膜。在100℃條件下制備的薄膜只有很小的界面層,而在沉積溫度500℃條件下制備的多層膜則沒有界面層。沉

5、積溫度300℃條件下制備的多層膜中存在一種晶體生長的“互促效應”。碳氮調制層發(fā)生部分晶化,并與TiN晶體層形成外延共格生長,生成最厚約2.5nm的TiCN界面層,且薄膜具有超高硬度40 Gpa。對TiN/CNx多層膜的生長結構和超硬現象,從混合法則和實驗分析兩方面進行了解釋。
　　 4)在a-CNx與合金基體之間形成結構組成呈均勻梯度變化的Ti+TiN/CNx中間層,即Ti/TiN/CNx梯度多層膜。與a-CNx單層膜相比,該結

6、構的a-CNx梯度膜具有結合強度高、硬度高、內應力小和摩擦系數小的優(yōu)點。設計的Ti/TiN/CNx梯度多層膜和單層碳氮膜的硬度、結合力、摩擦系數和磨損率都隨沉積溫度的上升而表現出下降趨勢。
　　 5)設計了調制周期Λ=2nm、4nm、20nm和60nm的富sp3-CNx/富sp2-CNx層納米多層膜,其中Λ=2 nm的薄膜呈現復合結構。富sp3-c層和富sp2-C層則分別具有非晶和類石墨結構。與單層膜相比,sp3-CNx/sp2

7、-CNx多層膜具有小內應力和高的硬度。調制周期Λ=60 nm的CNx/CNx多層膜具有最高硬度32 Gpa和最低內應力2.7 Gpa。納米劃擦實驗研究表明調制周期變大顯著降低多層膜的抗塑性變形能力和彈性回復率。Sp3-CNx/sp2-CNx納米多層膜的摩擦系數和磨損率隨調制周期的增大而減小。
　　 6)在Ti合金基體上濺射沉積了厚度均為1.5μm,含2.7～12.3 at％Ti的a-CNx薄膜。含鈦2.7 at％Ti的a-CNx

8、薄膜顯微結構呈不穩(wěn)定的非晶組織,而含鈦12.3at.％Ti的a-CNx薄膜呈納米復合結構。隨著CNx薄膜中鈦含量的增加,Ti摻雜物的引入并與碳氮成鍵,傾向于替代sp3鍵以減少鍵角變形,sp2鍵的含量也逐漸增加含鈦非晶碳氮薄膜的硬度隨Ti含量的增大而增加。在12.3 at.％Ti時達到28.4 Gpa。同時,a-CNx薄膜與基體界面結合力隨著Ti含量的增加而增大,在12.3at.％Ti時達飽和67 N。但Ti含量高的非晶碳氮薄膜內應力小。

9、薄膜的摩擦系數在0.11-0.14之間,比純a-CNx薄膜低。
　　 薄膜在室溫Troyde's模擬體液中電化學腐蝕性能與鈦合金相比,a-CNx薄膜的擊穿電位Ebrk和腐蝕電位Ecorr要明顯高出很多,而腐蝕電流密度Icorr則要低出一個數量級。在Ti/a-CNx薄膜中則可以看到腐蝕電流密度Icorr、Ebrk、Ecorr的顯著改變。摻入鈦后,薄膜的極化曲線都向高電位和低電流密度方向移動。含鈦較小的a-CNx薄膜具有有效的抗腐蝕