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NbC和NbN基薄膜的微观结构、力学性能和摩擦学行为的研究

张侃  
【摘要】:绿色制造与再制造是实现环境与社会可持续发展的重要途径。通过磁控溅射沉积获得低摩擦系数抗磨损涂层可以显著提升新品制造中零件表面的理化性能,增强零件使役性能,满足特殊功能需求,延长服役寿命,实现装备运行中的节能减耗。过渡金属碳化物、氮化物及衍生的碳氮化物薄膜由于其优异的物理性质,如:高硬度、化学性能稳定、高熔点及高电导率,引起了人们的广泛关注。薄膜技术与纳米技术结合后,掀起了纳米复合膜和纳米多层膜的研究热潮,使薄膜更易兼具多种优异性能。但是理解沉积方法本身和纳米复合薄膜自组装生长过程仍然具有挑战性的话题,同时进一步的观察新的多层膜体系,对理解多层膜中硬度增强机制有重要意义。相对于纳米结构薄膜,溅射制备外延薄膜在微电子、光电子产业以及集成电路中有重要应用,同时外延薄膜对探索涂层材料的本征属性有重要意义。 碳化铌(NbC),氮化铌(NbN)和铌碳氮(NbCN)薄膜具有出色的物理和化学性能使其可以被应用于各种极端条件。在本论文中,我们分别探讨了各种沉积条件对NbC和NbCN薄膜结构和性能的影响,通过选取优化的沉积条件,制备了NbN/CNx和NbN/NbCN纳米多层膜,研究了力学摩擦学性质与调制周期的依赖关系。并通过外延生长获得单晶NbN和NbCN薄膜,评估其本征性质。 在第二章中,我们利用磁控溅射方法,系统研究了基片偏压、薄膜中碳含量和基片温度对NbC薄膜的微观结构、化学键态、相转变、应力、硬度和摩擦学性能的影响。薄膜的结构、力学和摩擦学性能明显依赖于薄膜中的碳含量。随着沉积条件的改变可以观察到从六方Nb2C向立方NbC的转变,当薄膜中碳含量较高时,薄膜表现为纳米晶粒NbC镶嵌进入非晶碳基质中的典型纳米复合结构。当碳含量为68.7at.%时,nc-NbC/a-C纳米复合结构薄膜获得了最低的摩擦系数(0.10)和最好的抗磨损能力,这主要归因于sp3杂化碳氢键的形成和大量非晶碳的出现。 尽管nc-NbC/a-C薄膜表现出低摩擦系数及优异的耐磨损性能,但其硬度与NbN薄膜相比仍有所下降,因此在第三章中,我们通过磁控溅射方法引入N原子制备NbCxNy非晶薄膜,希望N的加入使得薄膜在维持低摩擦系数的同时提高NbC薄膜的硬度。在本章节中,我们对薄膜的形貌、力学性能、摩擦学及疏水性都进行了相关研究。NbCxNy,薄膜中N含量y从0逐渐增加到1.01,薄膜的结构也从Nb(C, N)固溶结构逐渐演变为Nb(C, N)固溶结构和六方NbN的混相结构。当y=0.44时,薄膜的压应力、硬度、弹性模量均达到最大值,其中,H=42.1GPa。同时薄膜的磨损率达到最低,摩擦系数为0.19±0.02。与其他过渡族金属碳氮化合物涂层(TiCxNy、ZrCxNy和CrCxNy)比较,NbCxNy薄膜表现出更为优异的力学性能和摩擦学性能。 NbN与NbC薄膜相比,具有较高的硬度但在磨擦性能上略显薄弱,因此在第四章中,通过制备以NbN为单元构成的纳米多层膜,希望同时提高其强度、硬度以及抗磨损等性质。我们使用优化的沉积条件,制备NbN/CNx和NbN/NbCN纳米多层膜,研究了力学和摩擦学性质与调制周期的依赖关系。其中δ-NbN/CNx多层膜的研究中表明当CNx层厚为0.4nm时,呈现出(200)和(111)的混和织构,此时多层膜具有良好的周期结构。CNx层的引入有助于释放由NbN薄膜产生的高应力。当CNx层厚为0.4nm时,硬度达到了39.2GPa,高于混合法则的78%。NbN/CNx多层膜的摩擦系数随着H/E的增大而减小,但是抗磨损能力却在当H/E达到最大值时表现较差,这归因于薄膜的抗磨损能力还受应力状态的影响,高应力将恶化薄膜的摩擦磨损性能。 NbN以及NbCN多晶薄膜因其优异的力学性质而逐渐被广泛关注,但是多晶NbN薄膜的微观结构强烈影响其力学性能的测试结果。因此,在第五章中,我们通过外延生长获得单晶NbN和NbCN薄膜评估其本征硬度。外延生长的NbN0.98弛豫状态下的晶格常数为4.363A,硬度和弹性模量分别为19.5±0.5GPa和271±3GPa.。而结晶性最好的NbCN薄膜的弛豫晶格常数为4.406A,硬度和弹性模量分别为25.3±1.0GPa和328±5GPa,略高于外延生长的NbN薄膜。


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