CNχ-TiN薄膜的PLD法制備、結(jié)構(gòu)與機(jī)械性能.pdf

1、本文主要通過TiN和CNx薄膜的脈沖激光沉積法(PLD)合成研究確立CNx和TiN薄膜的共沉積條件,并在共沉積條件下制備了CNx-TiNy納米復(fù)合膜和CNx/TiN納米多層膜;考察了晶態(tài)TiN模板對(duì)CNx相的協(xié)同生長(zhǎng)效應(yīng),探索PLD法合成CNx結(jié)晶相的可能性;考察了PLD法合成的CNx-TiNy納米復(fù)合薄膜和CNx/TiN納米多層薄膜的力學(xué)和摩擦學(xué)性能,為高耐磨、自潤(rùn)滑特性涂層的制備開辟新的技術(shù)途徑。
　　 PLD法合成的TiN

2、薄膜含氮量低于TiN相化學(xué)計(jì)量比,薄膜中存在過計(jì)量的金屬Ti相(4～50 at.％)。靶襯間距和沉積氣壓對(duì)薄膜氮含量的影響顯著高于沉積溫度和激光通量。TiN相的擇優(yōu)取向特性對(duì)沉積溫度較為敏感,較高沉積溫度下表現(xiàn)為(200)擇優(yōu)取向。增加靶襯間距和沉積氣壓,降低激光通量可以獲得較為光滑的薄膜。較優(yōu)條件下制備的TiNx薄膜(金屬Ti相含量12.6 at.％),硬度可達(dá)24.6 Gpa,彈性模量為239 Gpa,磨損率約10-6mm3/Nm量

3、級(jí)。
　　 PLD法合成的CNx薄膜均呈非晶狀態(tài),氮含量為20～42 at.％。在高氮含量薄膜中觀察到嵌入的氮分子,含量約為2～8 at.％,并隨沉積氣壓、靶襯間距的增加或激光通量的降低而增加。CNx薄膜的組織結(jié)構(gòu)和原子結(jié)合狀態(tài)對(duì)力學(xué)性能影響十分顯著,薄膜力學(xué)性能與薄膜中sp3 C雜化鍵含量之間的正比關(guān)系。選擇低沉積溫度、低沉積氣壓、小的靶襯距離和高激光通量有助于獲得高硬度、高彈性模量的CNx薄膜。CNx薄膜的磨損機(jī)理主要為粘著

4、磨損,摩擦過程中易在Si3N4球表面形成碳質(zhì)轉(zhuǎn)移膜;CNx薄膜的摩擦系數(shù)為0.1～0.25,磨損率約10-5～10-7 mm3/Nm量級(jí)。
　　 采用石墨和鈦的扇形組合靶,在共沉積條件下合成了CNx-TiN0.88復(fù)合薄膜。未觀察到TiN0.88相對(duì)CNx相結(jié)晶狀態(tài)的影響。該復(fù)合薄膜的摩擦磨損性能優(yōu)于單一CNx和TiN薄膜。當(dāng)靶材G/Ti比為1時(shí),所制備CNx-TiN0.88復(fù)合薄膜的耐磨性能最佳,磨損率為3.2×10-7mm3

5、/Nm。
　　 采用PLD交替燒蝕技術(shù)分別制備了雙層周期恒定和CNx層厚比恒定的CNx/TiN納米多層膜。當(dāng)薄膜形成納米多層結(jié)構(gòu)時(shí),其力學(xué)和摩擦學(xué)性能都得到顯著提高。通過改變多層膜的雙層周期或CNx層厚比,未能在CNx/TiN多層膜中獲得CNx結(jié)晶相。CNx層厚比為0.47的CNx/TiN納米多層膜,硬度為30.4 Gpa,摩擦系數(shù)為0.263,磨損率約2.5×10-7mm3/Nm,具有較好的摩擦學(xué)性能。而雙層周期為13.5 n

6、m的CNx/TiN多層膜具有超高硬度(硬度可達(dá)41.6 Gpa),且薄膜與基體結(jié)合良好,穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)為0.157,磨損率約2.0×10-7mm3/Nm,呈現(xiàn)高耐磨、自潤(rùn)滑的摩擦學(xué)特性,具有一定的摩擦學(xué)應(yīng)用價(jià)值。
　　 CNx-TiNy復(fù)合薄膜和CNx/TiN納米多層膜與Si3N4球在潮濕大氣中的磨損機(jī)理均為粘著磨損,薄膜的摩擦學(xué)特性與摩擦過程中Si3N4表面形成的碳質(zhì)轉(zhuǎn)移膜密切相關(guān)。該磨損機(jī)理的揭示可以為CNx/TiN多層膜等高