磁控溅射沉积BCN薄膜结构与纳米摩擦磨损行为研究

【摘要】： 本文通过非平衡磁控溅射方法沉积了BCN薄膜,并系统地研究了不同条件沉积的BCN薄膜的成分、键结构、纳米力学性能和纳米摩擦磨损行为。通过研究得出了不同沉积条件对BCN薄膜结构和性能的影响规律,阐明了BCN薄膜的成膜、划伤和破裂机制。另外对典型工艺制备的BCN薄膜进行了真空和大气环境下退火,研究了薄膜的高温稳定性。 采用X射线光电子能谱(XPS)和傅立叶变换红外光谱(FTIR)对薄膜的成分和键结构进行了研究,结果表明可以通过调节靶表面磁场状态、工作气体中NB2B分压使BCN薄膜中各种元素的成分达到连续可控。随薄膜中C含量由25at%不断下降至14at%,薄膜中类BCB3.4B的B-C键含量减少,类BB4BC的B-C键含量增加;引入到薄膜中的N首先与B结合形成B-N键,随N含量不断增加至稳定值以后,部分N会与C结合生成C=N键。研究还表明,薄膜结构除与薄膜成分有关以外,还与薄膜的沉积过程有关。随靶功率的增加,薄膜结构的无序程度增加;基体偏压有利于生成B-N键,当基体偏压达到-400V时,生成了spP3P杂化的B-N键;沉积温度增加使B-N键含量增加。 本文测试了不同工艺沉积的BCN薄膜的纳米力学性能,结果表明薄膜的纳米力学性能与薄膜的无序程度、键结构的种类和数量密切相关。对于BCN薄膜而言,如果薄膜无序程度较低,并含有较多spP2P杂化的B-N、C=N键,则薄膜的力学性能较差;随着薄膜无序程度的增加和spP2P杂化键含量的减少,薄膜的力学性能提高;如果薄膜中的spP3P杂化的B-N键和B-C键含量增加,薄膜的力学性能则会进一步提高。本文制备的薄膜的纳米硬度和弹性模量分别位于0.3GPa～36GPa和15GPa～356GPa之间。 本文对BCN薄膜的纳米摩擦磨损行为进行了系统地研究,得到了薄膜摩擦磨损特性与结构和力学性能之间的依赖关系。研究表明对于含N的BCN薄膜而言,力学性能增加有利于提高薄膜的耐磨性能;对于不含N的薄膜,虽然硬度很高,但耐磨性能却很差,所以提高薄膜力学性能和提高薄膜耐磨性之间并非完全一致。基于对薄膜摩擦磨损行为的研究,对本文制备的薄膜提出了三种不同类型的薄膜划伤机制和失效过程。具有高力学性能的不含N薄膜,临界载荷小,摩擦系数在0.3左右,在划痕载荷作用下易发生脆性破裂和剥落,随划痕载荷的增加表现出的划伤失效过程为:弹性变形→薄膜出现微小裂纹→薄膜分层、剥落→薄膜被划破;具有较高力学性能的含N的BCN薄膜,临界载荷增大,摩擦系数降至0.1以下,随划痕载荷的增加表现出的划伤失效过程为:完全弹性变形→弹性变形为主,出现少量塑性变形→表层薄膜剥落,薄膜被划破;具有低力学性能的含N的BCN薄膜,临界载荷小,摩擦系数增大至0.4以上,随划痕载荷的增加出现明显的犁沟。 为研究BCN薄膜的高温稳定性,本文对典型工艺制备的BCN进行真空和空气退火试验。退火试验表明该BCN薄膜随退火温度增加其结构有序化程度增加、力学性能下降。该BCN薄膜具有很好的真空高温稳定性,退火温度升高到1000PoPC时薄膜仍未分解,且退火未显著降低其耐磨性;薄膜在大气中退火温度达到600PoPC后发生氧化分解。