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离子束辅助沉积ZrN/TiAlN和CN_x/TiAlN纳米多层膜的研究

曹猛  
【摘要】: 本文利用超高真空离子束辅助沉积技术在Si(100)基底上设计合成ZrN/TiAlN和CN_x/TiAlN纳米多层膜。利用表面轮廓仪和纳米力学测试系统研究薄膜的机械性能,包括表面硬度、弹性模量以及薄膜与基底的附着力;还通过X射线衍射(XRD),俄歇电子能谱仪(AES)和扫描电子显微镜(SEM)等分析手段研究了薄膜的结构特征。揭示多层膜体系的结构和性能以及工艺参数之间的相互关系,找出合成最佳多层膜的工艺,使多层膜体系的硬度和附着力优于单质薄膜材料。 对于ZrN/TiAlN纳米多层膜体系,讨论了调制周期、调制比例、离子轰击能量和离子束流等实验条件对薄膜结构和性能的影响。AES、SEM和低角XRD均证明了多层膜的层状结构,而且展示了明晰界面。高角XRD证明ZrN单层膜具有典型的面心立方结构,呈现强ZrN(220)和(111)择优取向。TiAlN表现出有很强的(111)面择优取向和微弱的(200)和(220)晶向。多层薄膜中显示了明显的ZrN(111),TiAlN(111)和AlN(111)织构,说明多层膜形成了很好的调制结构,晶体完整性得到提高,这种强烈的(111)多晶结构会对多层膜硬度和模量的增强有很大贡献。纳米硬度和划痕测试表明多层膜都具有比单质膜更高的硬度、弹性模量和膜基结合力。当调制周期为6.5 nm,ZrN和TiAlN的调制比例为2:3,离子轰击能量为200 eV,氮离子束流为5 mA时薄膜具有最高的硬度(>30 GPa)、弹性模量(361 GPa)和临界载荷(53.3 mN)。基底温度的升高,会显著降低薄膜的残余应力,但对薄膜的硬度,摩擦系数没有明显影响。 用离子束辅助沉积系统所制备的一系列不同调制周期和CN_x所占比例的CN_x/TiAlN纳米多层膜,其界面清晰,层状结构明显。尽管CN_x和TiAlN单质膜分别为非晶和纳米晶结构,CN_x/TiAlN多层膜却当CN_x层极薄的时候(<0.6 nm)出现共格外延生长现象。当调制周期为2.83 nm,CN_x层所占比例为10%的时候,多层膜出现强烈的(111)晶向,并且硬度和弹性模量分别升高到32.1和408.6 GPa。残余应力和膜基结合力也获得不错的效果。以上结果说明当在TiAlN层中插入异质结构的非晶CN_x层,在CN_x层的厚度极薄时,CN_x晶化且与TiAlN形成共格外延生长,形成具有明锐界面的层状结构,多层膜的微结构满足产生超硬效应的各种条件,从而引起其硬度和弹性模量异常升高。无论是改变调制周期还是CN_x层所占比例,只要当CN_x层厚增大至0.6 nm以上时,CN_x将以非晶形式存在,阻断了多层膜的共格外延生长,使其强化效应消失,薄膜的硬度和弹性模量就会明显降低。 对于ZrN/TiAlN和CN_x/TiAlN组成的纳米多层膜体系,以前的文献鲜有报道。本文的结果表明,利用超高真空离子束辅助沉积技术,通过控制合适的工艺参数,合成具有高硬度、高模量、高膜基结合力和低应力的ZrN/TiAlN、CN_x/TiAlN纳米多层膜是可以实现的。本研究可望应用于新的刀具涂层材料,对于提高刀具的切削速率,延长刀具的使用寿命,探索新的超硬材料和扩大纳米多层膜的工业应用范围具有一定的意义。


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