TiB-,2--Si-,3-N-,4-和TiB-,2--c-BN納米多層薄膜的設計及結構與性能研究.pdf

1、本文旨在利用超高真空離子束輔助沉積與射頻磁控濺射技術在Si(100)及Al2O3(111)基底上設計合成TiB2/Si3N4和TiB2/c-BN納米多層膜。并通過一系列分析測試技術表征薄膜的結構特征和機械性能。揭示多層膜體系的結構，性能以及工藝參數(shù)三者之間的相互關系，并尋求材料性能的改善和高溫穩(wěn)定性的提高。本文系統(tǒng)研究了納米多層膜中的微觀結構與硬度、彈性模量、殘余應力等力學性能，摩擦系數(shù)等摩擦磨損性能，以及與調制比例、調制周期、退火溫度

2、、轟擊能量等諸多因素之間的關系。
　　 利用TiB2和Si3N4靶通過正交試驗的方法在制備單質薄膜的基礎上在Si(100)和Al2O3(111)基底上，用離子束輔助沉積法制備了TiB2/Si3N4納米多膜。并討論了調制周期、調制比例、過渡層和基底溫度等實驗條件對薄膜結構和性能的影響。通過低角XRD，SEM表征了薄膜調制結構，同時顯示出清晰的多層膜界面。在改變調制比并結合基底加熱條件下合成的調制周期為11.8nm的多層膜，多層膜表

3、現(xiàn)出了明顯的TiB2(100)，Si3N4(110)等結晶取向。硬度高達36.2 GPa，較低殘余應力(2.5 GPa)，較高的膜基結合強度(約為62.579mN)，同時多層膜的殘余應力，摩擦性能，以及膜基結合力也都明顯優(yōu)于單質薄膜。正交試驗表明：多層膜各項性能得到優(yōu)化，調制比是影響性能的主要因素。最佳調制比例造成的互促效應可能是結晶多元化和薄膜硬度升高的原因之一。
　　 選取TiB2和c-BN作為個體層材料，利用射頻磁控濺射技

4、術在225℃下制備一系列TiB2/c-BN納米多層膜，研究了多層膜調制比，濺射功率，基底偏壓，工作氣壓和退火條件等實驗參數(shù)與多層膜結構和機械性能的關系。低角XRD和SEM表明薄膜具有界面清晰的多層結構。通過單層實驗得到影響c-BN單層膜性能的主要因素為調制比例和濺射功率兩個因素。而且多層膜對調制周期和比例的要求非常苛刻，并在最佳配比：基底溫度225℃，調制周期24 nm，TiB2和c-BN調制比13∶1，過渡層沉積時間1200 s，(厚

5、度40-70nm)的基礎上，利用TiB2的模板效應得到立方相的c-BN，最終得到納米硬度達42GPa的TiB2/c-BN超硬耐磨結構薄膜。特別是對高溫結構和性能的研究發(fā)現(xiàn)：在700℃時，納米多層膜依舊表現(xiàn)出了32GPa以上的納米硬度。新型超硬TiB2/c-BN納米多膜具有高硬度、較低殘余應力，摩擦系數(shù)小，高膜基結合力和熱穩(wěn)定性的優(yōu)良綜合特性。
　　 以上研究結果證明：利用正交試驗優(yōu)化實驗條件，離子束輔助沉積技術可以制備機械性能優(yōu)

6、良的TiB2/Si3N4多層膜；利用退火實驗，射頻磁控濺射技術可以制備機械性能優(yōu)良的TiB2/c-BN多層膜，同時具有良好的高溫性能。通過比較各種實驗條件和工藝參數(shù)，在得到多層膜最佳工藝參數(shù)，合成具有高硬度，高彈性模量、良好的膜基結合力和低殘余應力的納米多層膜的同時，通過討論工藝參數(shù)、界面結構、晶體結構與性能的關系，對TiB2/Si3N4和TiB2/c-BN兩個異構體系納米多層膜的硬度升高做出合理分析，為開發(fā)TiB2/Si3N4，TiB