離子束輔助沉積ZrN-TiAlN和CN-,x--TiAlN納米多層膜的研究.pdf

1、本文利用超高真空離子束輔助沉積技術(shù)在Si(100)基底上設(shè)計(jì)合成ZrN／TiAlN和CNx／TiAlN納米多層膜。利用表面輪廓儀和納米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)研究薄膜的機(jī)械性能，包括表面硬度、彈性模量以及薄膜與基底的附著力；還通過(guò)X射線(xiàn)衍射(XRD)，俄歇電子能譜儀(AES)和掃描電子顯微鏡(SEM)等分析手段研究了薄膜的結(jié)構(gòu)特征。揭示多層膜體系的結(jié)構(gòu)和性能以及工藝參數(shù)之間的相互關(guān)系，找出合成最佳多層膜的工藝，使多層膜體系的硬度和附著力優(yōu)于單質(zhì)薄膜

2、材料。 對(duì)于ZrN／TiAlN納米多層膜體系，討論了調(diào)制周期、調(diào)制比例、離子轟擊能量和離子束流等實(shí)驗(yàn)條件對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響。AES、SEM和低角XRD均證明了多層膜的層狀結(jié)構(gòu)，而且展示了明晰界面。高角XRD證明ZrN單層膜具有典型的面心立方結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)強(qiáng)ZrN(220)和(111)擇優(yōu)取向。TiAlN表現(xiàn)出有很強(qiáng)的(111)面擇優(yōu)取向和微弱的(200)和(220)晶向。多層薄膜中顯示了明顯的ZrN(111)，TiAlN(111

3、)和AlN(111)織構(gòu)，說(shuō)明多層膜形成了很好的調(diào)制結(jié)構(gòu)，晶體完整性得到提高，這種強(qiáng)烈的(111)多晶結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)多層膜硬度和模量的增強(qiáng)有很大貢獻(xiàn)。納米硬度和劃痕測(cè)試表明多層膜都具有比單質(zhì)膜更高的硬度、彈性模量和膜基結(jié)合力。當(dāng)調(diào)制周期為6.5 nm，ZrN和TiAlN的調(diào)制比例為2：3，離子轟擊能量為200 eV，氮離子束流為5 mA時(shí)薄膜具有最高的硬度(>30 GPa)、彈性模量(361 GPa)和臨界載荷(53.3 mN)?；诇囟鹊纳?/p>

4、高，會(huì)顯著降低薄膜的殘余應(yīng)力，但對(duì)薄膜的硬度，摩擦系數(shù)沒(méi)有明顯影響。 用離子束輔助沉積系統(tǒng)所制備的一系列不同調(diào)制周期和CNx所占比例的CNx／TiAlN納米多層膜，其界面清晰，層狀結(jié)構(gòu)明顯。盡管CNx和TiAlN單質(zhì)膜分別為非晶和納米晶結(jié)構(gòu)，CNx／TiAlN多層膜卻當(dāng)CNx層極薄的時(shí)候(<0.6 nm)出現(xiàn)共格外延生長(zhǎng)現(xiàn)象。當(dāng)調(diào)制周期為2.83 nm，CNx層所占比例為10％的時(shí)候，多層膜出現(xiàn)強(qiáng)烈的(111)晶向，并且硬度和彈

5、性模量分別升高到32.1和408.6 GPa。殘余應(yīng)力和膜基結(jié)合力也獲得不錯(cuò)的效果。以上結(jié)果說(shuō)明當(dāng)在TiAlN層中插入異質(zhì)結(jié)構(gòu)的非晶CNx層，在CNx層的厚度極薄時(shí)，CNx晶化且與TiAlN形成共格外延生長(zhǎng)，形成具有明銳界面的層狀結(jié)構(gòu)，多層膜的微結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足產(chǎn)生超硬效應(yīng)的各種條件，從而引起其硬度和彈性模量異常升高。無(wú)論是改變調(diào)制周期還是CNx層所占比例，只要當(dāng)CNx層厚增大至0.6 nm以上時(shí)，CNx將以非晶形式存在，阻斷了多層膜的共格外延

6、生長(zhǎng)，使其強(qiáng)化效應(yīng)消失，薄膜的硬度和彈性模量就會(huì)明顯降低。對(duì)于ZrN/TiAlN和CNx/TiAlN組成的納米多層膜體系，以前的文獻(xiàn)鮮有報(bào)道。本文的結(jié)果表明，利用超高真空離子束輔助沉積技術(shù)，通過(guò)控制合適的工藝參數(shù)，合成具有高硬度、高模量、高膜基結(jié)合力和低應(yīng)力的ZrN／TiAlN、CNx／TiAlN納米多層膜是可以實(shí)現(xiàn)的。本研究可望應(yīng)用于新的刀具涂層材料，對(duì)于提高刀具的切削速率，延長(zhǎng)刀具的使用壽命，探索新的超硬材料和擴(kuò)大納米多層膜的工業(yè)應(yīng)