多靶磁控共濺合成nc-B4C-a-Ti和nc-B4C-a-Si3N4納米復合薄膜的研究.pdf

1、本文利用多靶磁控共濺射技術在Si(100)基底和不銹鋼基底上設計合成nc-B4C/a-Ti和nc-B4C/a-Si3N4納米復合薄膜。利用表面輪廓儀,納米力學測試系統(tǒng),摩擦磨損測試系統(tǒng)研究薄膜的內(nèi)應力,表面硬度、彈性模量,薄膜與基底的附著力以及摩擦系數(shù)和耐磨性;還通過X射線衍射(XRD)和透射電子顯微鏡(TEM)等分析手段研究了薄膜的結構特征;通過X射線光電子能譜測試(XPS)分析其成分和元素的化學結合方式。揭示實驗參數(shù)和納米復合薄膜結

2、構,成分以及力學性能之間的相互關系,找出合成最佳的工藝,使復合層膜體系擁有較高的硬度和附著力,同時具有較低內(nèi)應力和摩擦系數(shù),希望成為應用于刀具的涂層材料,提高刀具的切削速率,延長刀具的使用壽命。使用B4C和Ti靶通過磁控共濺射方法在Si(100)基底和不銹鋼基底上制備nc-B4C/a-Ti納米復合層膜。主要討論了工作氣壓,基底溫度對薄膜結構的形成與性能的影響。XRD表明復合薄膜中B4C成納米晶態(tài),而Ti幾乎全部為無定型態(tài),XRD也表明不

3、同的實驗條件能導致不同的結晶狀態(tài),從而影響薄膜的力學性能,TEM圖像則清晰的顯示了典型的納米復合結構。XPS顯示工作氣壓和基底溫度的變化對薄膜中各元素的結合方式幾乎沒有影響。當基底溫度為400℃工作氣壓為0.5Pa時,薄膜具有最高的硬度(42GPa)和臨界載荷(88mN)。室溫下合成的薄膜具有最低的摩擦系數(shù)(0.15)和較好的耐磨性。利用多靶共濺沉積系統(tǒng)制備了nc-B4C/a-Si3N4納米復合薄膜,主要分析了基底溫度和基底偏壓對薄膜結

4、構與性能的影響。TEM顯示出了典型納米復合結構,XRD表明復合薄膜中B4C成納米晶態(tài),而Si3N4幾乎全部為無定型態(tài)。XPS顯示不同的基底偏壓會導致復合薄膜中B-N之間的結合方式發(fā)生變化,在偏壓為-100V條件下,復合薄膜中擁有較高含量的sp3-BN成分,這是導致薄膜力學性能提高的一個重要原因,而基底溫度對薄膜力學性能也有一定影響,當溫度為400℃時,出現(xiàn)最高的硬度(34GPa)和彈性模量(394GPa)。同時,在偏壓達到-200V時,

5、薄膜顯示了最高的臨界載荷為188mN。另外,與nc-B4C/a-Ti系列納米復合層膜相比,nc-B4C/a-Si3N4系列的納米復合薄膜體現(xiàn)更好的熱穩(wěn)定性和更低的摩擦系數(shù)。以上結果表明,本文利用多靶磁控共濺技術在Si(100)基底和不銹鋼基底上設計合成nc-B4C/a-Ti和nc-B4C/a-Si3N4納米復合薄膜,在一定優(yōu)選的工藝條件下,可以形成典型的納米復合結構,生成硬度高、附著力好、摩擦系數(shù)低的薄膜,有希望成為可以工業(yè)化的保護涂層