论文摘要
金属基陶瓷涂层既有金属的韧性、强度、导电性等性能,又有陶瓷材料高硬度、高强度、耐磨、耐高温、耐腐蚀等优点,在航天、航空、电力、电子等工业中得到广泛应用。大量研究表明硅氧化合物陶瓷膜层具有特殊的光学、电学、力学等性能,广泛应用于光电功能器件、集成电路、高阻隔材料等领域。通过CVD技术制备金属铝基硅氧化物陶瓷膜层,是一个尚未进行研究的领域,技术瓶颈在于常规CVD技术的工艺温度高于铝的熔点。本论文研究开发低温常压化学气相沉积（APCVD）技术,在铝及其合金基底上成功制备硅氧化物陶瓷薄膜;采用多种检测技术对表面结构性能进行表征;探讨了薄膜的形核机理,对经典形核理论进行修正,提出了形核模型。通过对基底预处理以及工艺参数的研究,系统考察薄膜生长组织和表面形貌的影响因素,沉积温度对薄膜厚度的影响呈单峰状,最佳沉积温度为400℃;最佳沉积气体流量为硅烷稀释气流量0.2L/min,空气0.3L/min;载气（氮气）流量同薄膜的生长速率呈线性关系,最佳流量为2L/min;薄膜厚度变化随沉积时间增加线性增大;薄膜SEM表面形貌由大量的球状或等轴状硅氧化物颗粒镶嵌堆垛而成,颗粒间存在间隙;随着沉积时间的增加,颗粒发生融合长大,间隙体积减少。沉积薄膜后续退火有助于薄膜表面发育完整,减少孔隙,使硅氧化物球状颗粒发生融合粗化长大;退火温度越高,保温时间越长,薄膜颗粒融合长大越充分。退火可使薄膜中发生铝、硅、氧原子互扩散,改变薄膜结构,增强了薄膜与铝基的结合力。铝硅氧化物薄膜在反应温度下能够自发进行沉积生长。薄膜同基底结合部位原子互扩散过程中能够形成稳定的Al-O-Si复杂晶体结构,促进表面形核和长大;薄膜形核率以及生长速率同气压、温度、界面能、界面接触角、沉积表面扩散激活能、气相反应形核能垒、表面解附能等有关。由于APCVD技术气压高,温度低,气相反应能垒小,沉积形核率高,因此薄膜呈现非晶态具有各种缺陷以及悬挂键。硅氧化物薄膜表层O/Si原子比稳定在2.2—2.4之间,证明该结构中的氧除了与硅键合外,还以OH基团存在,形成Si-OH结构;该表层O/Si原子比与沉积时间没有直接关系。薄膜存在成分过渡层,有铝、硅、氧原子的互扩散现象;铝和硅原子通过氧原子形成桥连的Al-O-Si键合结构,局部区域组成复杂类尖晶石结构,也对薄膜同基底的紧密结合起重要作用;铝基硅氧化物薄膜大部分为非晶态结构,表层局部区域还发现晶态的SiO2结构生成。铝基硅氧化物薄膜具有胞状组织形貌,胞状组织具有交叠层片亚结构。其生长机理是:硅烷和氧气在铝基表面反应生成硅氧化物微粒,与铝基表面的新鲜氧化铝结合成为成膜核心;后续的气源分子依附形核点继续反应,使初生晶核发育长大,形成的岛状硅氧化物分子团,在三维竞争生长过程中,因硅氧化物与铝基表面的新鲜氧化铝键合力较强,两者“浸润”性能较好,XY方向上生长速度大于Z方向,岛状单元的长大形成亚结构层片,相互接触,构成胞状组织的底层;这种形核—长大—融合的层片生长过程反复进行,构成具有层片式亚结构的胞状组织。铝基硅氧化物薄膜的亚结构层片由Si-O-Si无规网络环状结构组成,还包含硅悬挂键、Si-Si共价键以及Si-OH键合结构,产生原因是Si-O-Si键合中的桥氧产生空位,形成硅悬挂键结构;部分硅悬挂键通过相互键合形成“≡Si—Si≡”共价键结构,部分通过获取气相中OH集团和氢原子形成Si-OH结构及Si-H结构。研究并分析了铝基硅氧化物薄膜性能及机理。划痕实验载荷达到80N,切应力达到1.24GPa时,薄膜仍未发生剥落,这种良好的结合力依靠氧同铝硅的强烈键合作用和铝硅氧原子发生互扩散。铝基硅氧化物薄膜能有效提高样品表面硬度,但由于薄膜表面存在孔隙,且硅氧化物薄膜表面容易在外力作用发生坍塌挤压;随着载荷压力的增大,薄膜将随基底一起发生塑性形变。硅氧化物薄膜能有效提高铝及铝合金表面的耐磨性,磨损机理是对磨时,薄膜表面发生坍塌挤压,形成细小的硅氧化物陶瓷碎片或粉末充当磨粒,形成磨粒磨损;磨损量的变化具有线性变化规律。铝基硅氧化物陶瓷薄膜在紫外光到红外光波段具有很好的光吸收性能,反射率均低于30%;吸收光的原因是由于薄膜由大量硅氧化物颗粒堆跺而成,颗粒间存在孔隙,光线进入内部空洞后通过不断反射,延长了光线的传播距离,消耗一部分能量;非晶态薄膜内部存在大量不同类型缺陷,悬挂键、氧空位等结构缺陷都会吸收不同波长的光,显著降低薄膜的光学反射率。以激光作为激发光源,薄膜呈现大范围波段的光致发光,发光机理是薄膜中大量的缺陷结构在激光激发下产生电子跃迁发光,呈白色荧光;铝合金基底的硅氧化物薄膜发光强度要高于纯铝基底,原因是铝合金基底含有其他元素成分,在制备薄膜的过程中扩散到薄膜内部,引起薄膜内部缺陷结构的变化。铝基硅氧化物薄膜表面具有良好的聚乙烯热喷涂工艺性,由于硅氧化物薄膜表面孔隙率较高,部分粘流态的聚乙烯进入到薄膜孔洞中,增大了聚乙烯薄膜同硅氧化物薄膜的附着力。
论文目录
相关论文文献
标签：金属基陶瓷薄膜论文; 铝基合金论文; 硅氧化物薄膜论文; 制备工艺论文; 成分论文; 结构论文; 生长机理论文; 性能研究论文;