磁控濺射沉積BCN薄膜結(jié)構(gòu)與納米摩擦磨損行為研究.pdf

1、本文通過非平衡磁控濺射方法沉積了BCN薄膜，并系統(tǒng)地研究了不同條件沉積的BCN薄膜的成分、鍵結(jié)構(gòu)、納米力學(xué)性能和納米摩擦磨損行為。通過研究得出了不同沉積條件對BCN薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律，闡明了BCN薄膜的成膜、劃傷和破裂機制。另外對典型工藝制備的BCN薄膜進行了真空和大氣環(huán)境下退火，研究了薄膜的高溫穩(wěn)定性。
　　采用X射線光電子能譜(XPS)和傅立葉變換紅外光譜(FTIR)對薄膜的成分和鍵結(jié)構(gòu)進行了研究，結(jié)果表明可以通過調(diào)節(jié)靶

2、表面磁場狀態(tài)、工作氣體中N2分壓使BCN薄膜中各種元素的成分達到連續(xù)可控。隨薄膜中C含量由25at％不斷下降至14at%，薄膜中類BC3.4的B-C鍵含量減少，類B4C的B-C鍵含量增加；引入到薄膜中的N首先與B結(jié)合形成B-N鍵，隨N含量不斷增加至穩(wěn)定值以后，部分N會與C結(jié)合生成C=N鍵。研究還表明，薄膜結(jié)構(gòu)除與薄膜成分有關(guān)以外，還與薄膜的沉積過程有關(guān)。隨靶功率的增加，薄膜結(jié)構(gòu)的無序程度增加；基體偏壓有利于生成B-N鍵，當基體偏壓達到-

3、400V時，生成了sp3雜化的B-N鍵；沉積溫度增加使B-N鍵含量增加。
　　本文測試了不同工藝沉積的BCN薄膜的納米力學(xué)性能，結(jié)果表明薄膜的納米力學(xué)性能與薄膜的無序程度、鍵結(jié)構(gòu)的種類和數(shù)量密切相關(guān)。對于BCN薄膜而言，如果薄膜無序程度較低，并含有較多sp2雜化的B-N、C=N鍵，則薄膜的力學(xué)性能較差；隨著薄膜無序程度的增加和sp2雜化鍵含量的減少，薄膜的力學(xué)性能提高；如果薄膜中的sp3雜化的B-N鍵和B-C鍵含量增加，薄膜的力學(xué)

4、性能則會進一步提高。本文制備的薄膜的納米硬度和彈性模量分別位于0.3GPa～36GPa和15GPa～356GPa之間。
　　本文對BCN薄膜的納米摩擦磨損行為進行了系統(tǒng)地研究，得到了薄膜摩擦磨損特性與結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能之間的依賴關(guān)系。研究表明對于含N的BCN薄膜而言，力學(xué)性能增加有利于提高薄膜的耐磨性能；對于不含N的薄膜，雖然硬度很高，但耐磨性能卻很差，所以提高薄膜力學(xué)性能和提高薄膜耐磨性之間并非完全一致。基于對薄膜摩擦磨損行為的研究

5、，對本文制備的薄膜提出了三種不同類型的薄膜劃傷機制和失效過程。具有高力學(xué)性能的不含N薄膜，臨界載荷小，摩擦系數(shù)在0.3左右，在劃痕載荷作用下易發(fā)生脆性破裂和剝落，隨劃痕載荷的增加表現(xiàn)出的劃傷失效過程為：彈性變形→薄膜出現(xiàn)微小裂紋→薄膜分層、剝落→薄膜被劃破；具有較高力學(xué)性能的含N的BCN薄膜，臨界載荷增大，摩擦系數(shù)降至0.1以下，隨劃痕載荷的增加表現(xiàn)出的劃傷失效過程為：完全彈性變形→彈性變形為主，出現(xiàn)少量塑性變形→表層薄膜剝落，薄膜被劃