TaN-基納米復(fù)合膜和多層膜的微結(jié)構(gòu)及性能研究.pdf

1、采用多靶磁控濺射技術(shù),在Si(100)和不銹鋼基片上,采用不同負(fù)偏壓沉積一系列TaN單層膜,采用不同V靶功率制備一系列不同V含量的TaVN復(fù)合膜,采用不同Mo靶功率制備一系列不同Mo含量的TaMoN復(fù)合膜,通過(guò)控制擋板開(kāi)合的時(shí)間制備一系列不同調(diào)制周期的TaN/VN多層膜。利用X射線衍射儀、原子力顯微鏡、掃描電鏡及其配套的能譜儀、納米壓痕儀、高溫摩擦磨損測(cè)試儀及其配套的三維輪廓儀研究了各種薄膜的微結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及不同溫度下的摩擦磨損性能。

2、
　　對(duì)不同負(fù)偏壓時(shí)沉積的TaN單層膜的研究表明:薄膜主要呈面心δ-TaN和斜方Ta4N晶體結(jié)構(gòu),只是擇優(yōu)取向隨著負(fù)偏壓的不同而有所不同。當(dāng)負(fù)偏壓為80V時(shí),TaN薄膜的硬度和彈性模量均達(dá)到最大值,分別為30.103GPa和317.048GPa,并且此時(shí)薄膜的膜/基結(jié)合力也是最優(yōu)。常溫下單層TaN薄膜的摩擦系數(shù)與負(fù)偏壓關(guān)系不大,基本保持在0.64-0.68之間。高溫下,隨著溫度的升高,摩擦系數(shù)逐漸降低。對(duì)不同溫度下形成的磨痕進(jìn)行形

3、貌和相組成分析,討論了薄膜的磨損形式和摩擦系數(shù)存在差異的原因;對(duì)不同氮?dú)饬髁肯轮苽涞腡aN薄膜的研究表明:隨著Ar:N2從10:1增加到10:15,TaN薄膜的微結(jié)構(gòu)從多相向單相轉(zhuǎn)變,力學(xué)性能在10:3～10:5范圍內(nèi)較優(yōu)。
　　對(duì)一系列不同V含量的TaVN復(fù)合膜的研究表明:單層TaN薄膜呈面心立方TaN及底心斜方Ta4N組成的混合結(jié)構(gòu),沿面心立方(200)擇優(yōu)。TaVN薄膜則呈現(xiàn)面心立方結(jié)構(gòu),隨著V含量的增加各衍射峰整體向大角度

4、方向偏移,擇優(yōu)取向逐漸由面心立方(200)轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎?111);TaVN薄膜的顯微硬度隨著V含量增加,先增加后降低,在V含量為18.25at％時(shí),顯微硬度達(dá)到最大值,為32.3GPa;在常溫下,TaVN復(fù)合膜的摩擦系數(shù)隨著V含量的增加而降低;當(dāng)溫度從室溫升高到800℃,薄膜的摩擦系數(shù)先升高后降低。采用晶體化學(xué)理論討論了TaVN復(fù)合膜和TaN單層膜在高溫下的摩擦性能。
　　對(duì)一系列不同Mo含量的TaMoN復(fù)合膜的研究表明:TaM

5、oN復(fù)合膜的微結(jié)構(gòu)是由面心立方、密排六方與底心斜方組成的多相結(jié)構(gòu);TaMoN復(fù)合膜的硬度比TaN單層膜的硬度高,主要是因?yàn)楣倘軓?qiáng)化;Mo元素的添加可以有效改善TaN薄膜在常溫和高溫下的摩擦性能,通過(guò)對(duì)磨痕的分析,詳細(xì)解釋了TaMoN復(fù)合膜具有優(yōu)異的減摩性能的原因。
　　對(duì)不同調(diào)制周期的TaN/VN多層膜的研究表明:TaN/VN多層膜的微結(jié)構(gòu)隨著調(diào)制周期的變化而變化,當(dāng)調(diào)制周期較小(0.67～3nm)時(shí),TaN/VN多層膜為面心立方

6、結(jié)構(gòu);當(dāng)調(diào)制周期較大(6～24nm)時(shí),TaN/VN多層膜為面心立方與密排六方共存的混合結(jié)構(gòu);TaN/VN多層膜的硬度和彈性模量在調(diào)制周期為0.67nm時(shí)最大,分別為31.8和410.3GPa;其中硬度比按照混合法則計(jì)算得出的理論值高出11GPa;隨著調(diào)制周期的增加,硬度逐漸降低;TaN/VN多層膜的摩擦系數(shù)隨著調(diào)制周期的增加而降低;較低的摩擦系數(shù)和一定的韌性,使得TaN/VN多層膜的耐磨性能優(yōu)于TaN和VN單層膜;在調(diào)制周期為24nm