磁控濺射和多弧離子鍍方法合成ZrB-,2--AlN、CrN-AlN納米多層膜的研究.pdf

1、表面工程作為一門新興的綜合性學(xué)科，近年來，在國內(nèi)外得到了迅速的發(fā)展。實踐表明，表面工程的運用能有效改善材料的表面性能，提高生產(chǎn)力，節(jié)約資源。硬質(zhì)薄膜因其可以顯著改善工模具的切削性能、抗磨損性能、不僅延長了使用壽命還增加了產(chǎn)品的美觀度而備受關(guān)注。近二十年來發(fā)展起來的納米多層薄膜，由于在較小調(diào)制周期下表現(xiàn)出比單一薄膜更優(yōu)異的綜合力學(xué)性能而成為繼單層硬質(zhì)薄膜后另一類具有良好發(fā)展前景的硬質(zhì)薄膜材料。 本文利用超高真空射頻磁控濺射技術(shù)在S

2、i(100)基底上設(shè)計合成ZrB2/AIN納米多層膜，并且利用多弧離子鍍技術(shù)在Si(100)和不銹鋼基底上設(shè)計合成了CrN/AIN納米多層膜。利用表面輪廓儀和納米力學(xué)測試系統(tǒng)研究了薄膜的機械性能，包括表面硬度、彈性模量以及薄膜與基底的附著力等；通過X射線衍射(XRD)分析手段研究了薄膜的結(jié)構(gòu)特征；利用摩擦磨損儀研究了薄膜的耐磨損性能。揭示了多層膜體系的結(jié)構(gòu)、性能以及工藝參數(shù)之間的相互關(guān)系，找出了合成最佳多層膜的工藝，使多層膜體系的硬度和

3、附著力優(yōu)于單質(zhì)薄膜材料。 1.射頻磁控濺射沉積ZrB2/AIN納米多層膜部分 在ZrB2/AIN納米多層膜的研究中，我們分析和研究了調(diào)制周期、調(diào)制比例、工作氣壓和基底偏壓對多層膜的結(jié)構(gòu)和性能的影響。高角XRD證明AIN單層膜具有典型的六方結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出強烈的(100)擇優(yōu)取向；ZrB2也呈現(xiàn)出典型的六方結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出較強的(001)、(100)面擇優(yōu)取向和較弱的(002)面擇優(yōu)取向。而多層薄膜顯示了明顯的AIN(100)和Z

4、rB2(100)織構(gòu)，并且結(jié)晶呈現(xiàn)多元化，說明多層膜形成了很好的調(diào)制結(jié)構(gòu)，晶體完整性得到了提高，這種強烈的多晶結(jié)構(gòu)會對多層膜硬度和模量的增強有很大貢獻。低角XRD證明了多層膜的層狀結(jié)構(gòu)，而且展示了明晰界面。納米硬度和劃痕測試則表明多層膜都具有比單質(zhì)膜更高的硬度、彈性模量和膜基結(jié)合力。當(dāng)調(diào)制周期為30 nm，AIN和ZrB2的調(diào)制比例為1:3，工作氣壓為0.4 Pa，基底偏壓為-60 V時，薄膜具有最高的硬度(34.6 GPa)、彈性模量

5、(488.7 GPa)和臨界載荷(40.1 mN)。摩擦磨損實驗表明，大多數(shù)ZrB2/AIN納米多層膜的耐磨損性能都優(yōu)于AIN和ZrB2單層膜，調(diào)制周期為20 nm的多層膜摩擦系數(shù)最小，約為0.25。 2.多弧離子鍍沉積CrN/AIN納米多層膜部分 利用多弧離子鍍沉積系統(tǒng)所制備的一系列不同調(diào)制周期和調(diào)制比的CrN/AIN納米多層膜，其界面清晰，層狀結(jié)構(gòu)明顯。X射線衍射儀、表面輪廓儀及納米力學(xué)測試系統(tǒng)研究表明：大多數(shù)多層膜

6、中出現(xiàn)AIN(111)、CrN(111)和CrN(200)晶相。在小調(diào)制周期下AIN會以立方結(jié)構(gòu)存在，并與CrN層形成同結(jié)構(gòu)共格外延生長，使納米多層膜產(chǎn)生較大的品格畸變。與此相應(yīng)，CrN/AIN納米多層膜硬度和彈性模量隨著調(diào)制周期的減小呈現(xiàn)上升的趨勢，當(dāng)調(diào)制周期小于8nm時其增速明顯增大，并在調(diào)制周期為3.8 nm時達到最高硬度(35.0 GPa)和最高彈性模量(405 GPa)。CrN/AIN納米多層膜的硬度和彈性模量在小調(diào)制周期時的

7、升高與c-AIN的產(chǎn)生并和CrN形成的共格結(jié)構(gòu)有關(guān)。同時在相同調(diào)制周期下，隨著調(diào)制比tcrN：tAIN的增加，CrN/AIN納米多層膜的硬度以及模量均呈上升趨勢。 本文的結(jié)果表明，利用超高真空射頻磁控濺射技術(shù)以及多弧離子鍍技術(shù)，通過控制合適的工藝參數(shù)，合成具有高硬度、高模量、高膜基結(jié)合力和低應(yīng)力的ZrB2/AIN和CrN/AIN納米多層膜是可以實現(xiàn)的。本研究可望應(yīng)用于新的刀具涂層材料，對于探索新的超硬材料和擴大納米多層膜的工業(yè)應(yīng)