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Al/Al_2O_3纳米多层膜的结构与性能研究

朱雪婷  
【摘要】:在多层膜的广泛研究领域中,致力于硬/硬多层膜的研究较多,这一类型的多层膜因存在较大的残余应力而容易出现脱落的问题,使其实际运用受到限制,因此基于工业领域的实际生产运用,设计软/硬交替沉积的多层膜体系已然是大势所趋。A1203涂层因具有高强度、高硬度及良好的耐磨性而广受关注,但因其本征脆性在摩擦过程中常发生脆性断裂而失效,严重影响了A1203涂层的耐磨寿命,因此本文设计了Al/Al2O3软硬交替多层膜,期望提升其在汽车工业、模具工业以及航空航天等领域的运用潜力。 本文采用直流与射频相结合的磁控溅射方法,通过正交试验分别确定A1膜及Al2O3膜的制备工艺,最终沉积调制周期分别为80nm、100nm、120nm,而调制比分别为0.25、0.5、1、2、3的Al/Al2O3纳米多层膜,并使用XRD、SEM、AFM、XPS等现代分析测试技术手段,表征了多层膜的结构,观察了多层膜断面形貌及表面形貌,结合纳米压痕仪与材料多功能表面性能仪对多层膜的力学性能及摩擦磨损性能进行了检测。分析测试结果表明,Al/Al2O3内米多层膜中,软相Al层呈面心立方结构,而硬质相Al203层则显示非晶特征。相同调制周期下,Al相(111)衍射峰随调制比的减小,峰逐渐宽化,晶粒尺寸逐渐减小,呈超细晶特征。相同调制比下,Al相(111)衍射峰随调制周期的减小,峰位角向高角度偏移,逐渐远离标准峰位。断面形貌观察显示多层膜呈良好的层状结构。AFM测试结果表明,多层膜中表层Al203层呈典型的岛状模式生长,相同调制周期下,表层Al203层的表面粗糙度随调制比的减小而降低,平整性提高。相同调制比下,表层Al203层的表面粗糙度随调制周期的增大而降低,平整性提高。XPS结果表明多层膜中Al203层的化学计量比与其理论计算的化学计量比相接近。 Al/Al2O3多层膜的性能检测结果表明:同一调制周期下,调制比为0.5的多层膜的膜基结合力最好,同一调制比下,调制周期为100nm的多层膜膜基结合力最好。调制周期相同时,多层膜的硬度及弹性模量随着调制比的减小呈升高趋势,调制比相同时,多层膜的硬度及弹性模量随调制周期的减小总体上也呈升高趋势。同一调制周期下,除调制比为0.25的多层膜之外,多层膜的硬度与金属层厚度的平方根的倒数(hAl-0.5)之间呈线性关系,并可用Hall-Patch关系描述。相同调制周期下,多层膜的摩擦系数随着调制比的减小,摩擦系数降低,耐磨性提高,相同调制比下,随着调制周期的减小,摩擦系数降低。经综合分析,所有多层膜中综合性能最好的是调制周期为100nm,调制比为0.25的多层膜,其膜基结合力为30.40N,硬度为10.18GPa,弹性模量为178.28GPa,摩擦系数为0.119。


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