30CrMnSiNi2A钢表面二极溅射镀钽层的结构及性能研究

论文摘要

金属钽具有高熔点、耐蚀性强、导电性好等优异性能,因此被广泛应用于航天、电子、汽车、军事、化工等领域。磁控溅射是一种常用的钽膜沉积技术,但其存在靶材利用率不高这一问题,对于贵金属钽来说,会明显提高其镀膜成本。相对于磁控溅射,二极溅射具有沉积膜层均匀性好、靶材利用率高、操作简单成本低廉等优点。本文采用二极溅射的技术在30CrMnSiNi2A钢基体的表面沉积了钽薄膜,并研究了沉积参数——工作气压、基体偏压、基体温度和沉积时间对钽膜结构及性能的影响。结果表明,膜层的表面呈三维岛状生长,薄膜的沉积速率随基体温度的升高呈先减后增的趋势,随工作气压和基体偏压的增大呈先增后减的趋势,膜层发生部分氧化,物相组成主要包括Ta、Ta2O、TaO、TaO2、Ta2O5、TaC等。针对沉积钽膜氧含量高的问题,采取了沉积时通入适量的还原气体H2以及镀膜前烘烤加热去除真空室壁吸附气体两项改进措施来降低膜层中氧含量。研究结果表明,两项措施均对降低钽膜中氧含量起到了一定作用,同时发现,H2的通入对钽膜沉积均匀性影响不大,膜层表面粗糙度随Ar分压的增加而增大,烘烤除气后薄膜物相主要以α-Ta,β-Ta和Ta2O5形式存在。对氧含量较低的钽膜进行硬度及耐蚀性研究。硬度研究结果显示,钽膜硬度在8GPa13GPa范围内,并随工作气压和基体偏压的升高而增大,随基体温度和沉积时间的提高呈先增后减趋势;耐蚀性研究结果显示,经盐雾腐蚀后,镀膜样品外观评级比原始基体提高了15级,经电化学腐蚀后,相对于原始基体而言,镀膜样品的自腐蚀电位提高,腐蚀电流密度下降,这些都说明了钽膜相对于高强钢基体具有较高的耐腐蚀性能,对基体材料起到了一定的保护作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 钽的结构及性质
• 1.2.1 钽的发展简介
• 1.2.2 钽的物理性质
• 1.2.3 钽的化学性质
• 1.2.4 钽的机械性能
• 1.3 钽薄膜的制备技术
• 1.3.1 化学气相沉积（CVD）
• 1.3.2 物理气相沉积（PVD）
• 1.4 钽的应用
• 1.4.1 化学工业
• 1.4.2 电子工业
• 1.4.3 硬质合金
• 1.4.4 汽车领域
• 1.4.5 航空航天领域
• 1.4.6 军事领域
• 1.4.7 生物医学领域
• 1.5 钽薄膜存在的主要问题及研究热点
• 1.6 本论文研究的主要内容
• 第2章 试验方案及设备
• 2.1 试验材料
• 2.2 基体材料的预处理
• 2.3 试验方案
• 2.3.1 钽薄膜的制备
• 2.3.2 钽薄膜耐腐蚀性能试验
• 2.4 分析方法和手段
• 2.4.1 钽膜形貌观察
• 2.4.2 钽膜表面粗糙度分析
• 2.4.3 膜层厚度及沉积速率测试
• 2.4.4 钽膜物相分析
• 2.4.5 钽膜成分和化学态分析
• 2.4.6 硬度测试
• 第3章 二极溅射制备钽薄膜的成分及结构研究
• 3.1 引言
• 3.2 钽膜表面形貌观察
• 3.3 钽膜截面形貌观察
• 3.4 工艺参数对钽膜沉积速率的影响
• 3.5 工艺参数对钽膜成分的影响
• 3.6 工艺参数对钽膜相结构的影响
• 3.7 本章小结
• 2 和烘烤除气对钽膜中氧含量的影响'>第4章 通H₂和烘烤除气对钽膜中氧含量的影响
• 2 的通入对钽膜成分结构的影响'>4.1 沉积过程中H₂的通入对钽膜成分结构的影响
• 4.1.1 工艺过程及参数
• 4.1.2 膜层表面形貌观察
• 4.1.3 膜层截面形貌观察
• 2 的通入对薄膜沉积速率的影响'>4.1.4 H₂的通入对薄膜沉积速率的影响
• 4.1.5 薄膜的表面粗糙度
• 2 的通入对膜层成分的影响'>4.1.6 H₂的通入对膜层成分的影响
• 4.1.7 薄膜的相结构分析
• 4.2 沉积薄膜前烘烤除气对膜层成分结构的影响
• 4.2.1 工艺过程及参数
• 4.2.2 膜层表面形貌观察
• 4.2.3 沉积前烘烤除气对钽薄膜成分的影响
• 4.2.4 沉积前烘烤除气对钽薄膜相结构的影响
• 4.2.5 钽靶表层成分分析及去除表面氧化层的方法
• 4.3 本章小结
• 第5章 钽膜的硬度及耐腐蚀性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 钽膜的硬度研究
• 5.3 钽膜耐腐蚀性能测试
• 5.3.1 盐雾腐蚀试验结果分析
• 5.3.2 电化学腐蚀试验结果分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢