TiB-,2--Si-,3-N-,4-和TiB-,2--c-BN納米多層薄膜的設(shè)計及結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、本文旨在利用超高真空離子束輔助沉積與射頻磁控濺射技術(shù)在Si(100)及Al2O3(111)基底上設(shè)計合成TiB2/Si3N4和TiB2/c-BN納米多層膜。并通過一系列分析測試技術(shù)表征薄膜的結(jié)構(gòu)特征和機(jī)械性能。揭示多層膜體系的結(jié)構(gòu)，性能以及工藝參數(shù)三者之間的相互關(guān)系，并尋求材料性能的改善和高溫穩(wěn)定性的提高。本文系統(tǒng)研究了納米多層膜中的微觀結(jié)構(gòu)與硬度、彈性模量、殘余應(yīng)力等力學(xué)性能，摩擦系數(shù)等摩擦磨損性能，以及與調(diào)制比例、調(diào)制周期、退火溫度

2、、轟擊能量等諸多因素之間的關(guān)系。
　　 利用TiB2和Si3N4靶通過正交試驗的方法在制備單質(zhì)薄膜的基礎(chǔ)上在Si(100)和Al2O3(111)基底上，用離子束輔助沉積法制備了TiB2/Si3N4納米多膜。并討論了調(diào)制周期、調(diào)制比例、過渡層和基底溫度等實驗條件對薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響。通過低角XRD，SEM表征了薄膜調(diào)制結(jié)構(gòu)，同時顯示出清晰的多層膜界面。在改變調(diào)制比并結(jié)合基底加熱條件下合成的調(diào)制周期為11.8nm的多層膜，多層膜表

3、現(xiàn)出了明顯的TiB2(100)，Si3N4(110)等結(jié)晶取向。硬度高達(dá)36.2 GPa，較低殘余應(yīng)力(2.5 GPa)，較高的膜基結(jié)合強(qiáng)度(約為62.579mN)，同時多層膜的殘余應(yīng)力，摩擦性能，以及膜基結(jié)合力也都明顯優(yōu)于單質(zhì)薄膜。正交試驗表明：多層膜各項性能得到優(yōu)化，調(diào)制比是影響性能的主要因素。最佳調(diào)制比例造成的互促效應(yīng)可能是結(jié)晶多元化和薄膜硬度升高的原因之一。
　　 選取TiB2和c-BN作為個體層材料，利用射頻磁控濺射技

4、術(shù)在225℃下制備一系列TiB2/c-BN納米多層膜，研究了多層膜調(diào)制比，濺射功率，基底偏壓，工作氣壓和退火條件等實驗參數(shù)與多層膜結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的關(guān)系。低角XRD和SEM表明薄膜具有界面清晰的多層結(jié)構(gòu)。通過單層實驗得到影響c-BN單層膜性能的主要因素為調(diào)制比例和濺射功率兩個因素。而且多層膜對調(diào)制周期和比例的要求非常苛刻，并在最佳配比：基底溫度225℃，調(diào)制周期24 nm，TiB2和c-BN調(diào)制比13∶1，過渡層沉積時間1200 s，(厚

5、度40-70nm)的基礎(chǔ)上，利用TiB2的模板效應(yīng)得到立方相的c-BN，最終得到納米硬度達(dá)42GPa的TiB2/c-BN超硬耐磨結(jié)構(gòu)薄膜。特別是對高溫結(jié)構(gòu)和性能的研究發(fā)現(xiàn)：在700℃時，納米多層膜依舊表現(xiàn)出了32GPa以上的納米硬度。新型超硬TiB2/c-BN納米多膜具有高硬度、較低殘余應(yīng)力，摩擦系數(shù)小，高膜基結(jié)合力和熱穩(wěn)定性的優(yōu)良綜合特性。
　　 以上研究結(jié)果證明：利用正交試驗優(yōu)化實驗條件，離子束輔助沉積技術(shù)可以制備機(jī)械性能優(yōu)

6、良的TiB2/Si3N4多層膜；利用退火實驗，射頻磁控濺射技術(shù)可以制備機(jī)械性能優(yōu)良的TiB2/c-BN多層膜，同時具有良好的高溫性能。通過比較各種實驗條件和工藝參數(shù)，在得到多層膜最佳工藝參數(shù)，合成具有高硬度，高彈性模量、良好的膜基結(jié)合力和低殘余應(yīng)力的納米多層膜的同時，通過討論工藝參數(shù)、界面結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，對TiB2/Si3N4和TiB2/c-BN兩個異構(gòu)體系納米多層膜的硬度升高做出合理分析，為開發(fā)TiB2/Si3N4，TiB