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射频磁控溅射制备TiB_2/TiAlN纳米多层膜和BaTiO_3薄膜的研究

刘思鹏  
【摘要】: 本文利用超高真空射频磁控溅射系统在Si(100)基底上设计合成TiB_2/TiAlN纳米多层膜和BaTiO_3薄膜。利用表面轮廓仪(XP-2)和纳米力学测试系统研究了薄膜的力学性能(包括薄膜的硬度、弹性模量以及薄膜与基底的结合强度);通过X射线衍射分析了薄膜的微观结构;利用摩擦磨损仪研究了薄膜的耐磨性;讨论了不同工艺参数对薄膜结构和性能的影响。 在TiB_2/TiAlN纳米多层膜的研究中,分析了调制周期、调制比例对多层膜的结构和性能的影响。高角度XRD研究表明:TiB_2显示出典型的六方结构,TiB_2(001)择优取向较强,TiAlN单层膜显示出典型的面心立方结构,呈现出较强的(111)择优取向。多层薄膜中显示了明显的TiB_2(001),TiAlN(111)和AlN(111)织构,说明多层膜形成了很好的调制结构。纳米硬度和划痕测试表明TiB_2/TiAlN多层膜的硬度、弹性模量和膜基结合力都比单质膜有所提高。当调制周期为25nm,TiB_2和TiAlN的调制比例为5:2时,薄膜具有最高的硬度(约36 GPa)、弹性模量(403.6 GPa)和临界载荷(31.2mN)。,摩擦磨损实验表明大多数TiB_2/TiAlN多层膜的耐磨性都要优于TiB_2、TiAlN单层薄膜。实验设计的调制周期与小角XRD算出的周期值符合的较好。 对于TiB_2/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,利用超高真空射频磁控溅射沉积技术,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TiB_2/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。 利用射频磁控溅射技术制备了一系列不同基底温度的BaTiO_3薄膜。X射线衍射仪、表面轮廓仪及纳米力学测试系统研究了基底温度对BaTiO_3薄膜结构和力学性能的影响。大部分薄膜中出现了BaTiO_3(101)、BaTiO_3(200)和BaTiO_3(220)晶相。基底温度为325℃的BaTiO_3薄膜的机械性能优于其它基底温度下沉积的薄膜。


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