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脉冲偏压电弧离子镀沉积超硬多层薄膜

2020-11-23阅读(686)

脉冲偏压电弧离子镀沉积超硬多层薄膜

论文摘要

脉冲偏压电弧离子镀是近十几年来发展起来的一种新兴薄膜沉积技术,与传统的电弧离子镀技术相比,它具有沉积温度低、残余应力小、晶粒细化及颗粒净化等优点,为沉积性能优异的多层薄膜提供了条件。本文采用脉冲偏压电弧离子镀工艺,合成了Ti/TiN、TiN/TiC及TiNbN多层薄膜,在分析其结构和性能的基础上,证实了用脉冲偏压电弧离子镀沉积多层薄膜的可行性;然后为了探讨多层薄膜的硬化机制,采用固体与分子经验电子理论及改进的TFD方法计算了Ti、TiN、TiC及NbN的价电子结构和Ti/TiN、TiN/TiC及TiN/NbN的界面电子结构;本文还在以往硬化机制模型的基础上,建立符合本文工艺特点的硬化机制模型,对由脉冲偏压电弧离子镀沉积获得的薄膜的异常超硬效应进行了分析。 首先,本文用SEM观察到了Ti/TiN多层薄膜中出现的多层调制结构,证实了用脉冲偏压电弧离子镀工艺沉积多层薄膜的可行性。然后为了深入了解脉冲偏压电弧离子镀的本质规律及获得优化的沉积工艺,以Ti/TiN多层薄膜为例,在固定其它工艺参数的基础上,采用正交设计法分析了脉冲偏压参数对多层薄膜显微硬度、膜基结合力及抗滑动磨损性能的影响。正交设计实验结果表明,偏压幅值是影响多层薄膜显微硬度的主要因素,而频率和占空比为次要因素。随着偏压幅值的增大,Ti/TiN多层薄膜的显微硬度值逐渐增加,在高偏压幅值时多层薄膜的显微硬度值达到29.5GPa。这说明高脉冲偏压幅值下获得的高能量沉积离子对薄膜组织结构的改善是薄膜硬度提高的主要原因。而且脉冲偏压幅值也是决定多层薄膜膜基结合力和抗滑动磨损性能的主要影响参数。 然后,用获得的优化工艺,通过气体交替通入控制等手段制备了不同调制周期和周期比的Ti/TiN多层薄膜。结果表明,多层薄膜的性能与其调制周期和周期比有关,在调制周期为46nm时,其硬度达到了43.6GPa,获得了超硬效应。多层薄膜的抗滑动磨损性能在其调制周期和单层厚度较小时达到最佳;多层薄膜的显微硬度不是影响其抗滑动磨损性能的唯一因素。多层薄膜的膜基结合力均显示了较高的值,最低大于70N。 为了探讨不同剪切模量材料交替沉积对薄膜性质带来的变化,采用类似的工艺制备了TiN/TiC多层薄膜,综合分析表明,TiN/TiC多层薄膜出现了明显的多层调制结构,界面层厚度约为20～30nm。与TiN和TiC单层薄膜相比,其硬度未出现明显的增强效应,但多层薄膜的摩擦系数仅为0.2左右,与Ti/TiN多层薄膜相比明显降低,大大提高

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 1 绪论
  • 1.1 研究背景
  • 1.2 硬质多层薄膜的制备研究现状
  • 1.2.1 硬质多层薄膜的膜层材料及膜层结构
  • 1.2.2 硬质多层薄膜的结构设计与优化
  • 1.2.3 硬质多层薄膜的力学性能的增强
  • 1.2.4 传统硬质多层薄膜存在的问题
  • 1.3 电弧离子镀
  • 1.4 脉冲偏压电弧离子镀
  • 1.5 论文工作的内容与意义
  • 2 实验设备与实验方法
  • 2.1 实验设备简介
  • 2.2 实验方法
  • 2.2.1 基体材料的选择、样品制备及预处理
  • 2.2.2 薄膜材料的选择及制备工艺
  • 2.2.3 薄膜表征方法
  • 3 Ti/TiN硬质及超硬多层薄膜的制备及性能
  • 3.1 TiN薄膜的制备、结构及性能
  • 3.1.1 TiN膜层的沉积工艺参数
  • 3.1.2 TiN膜层的表面形貌、结构与性能
  • 3.2 Ti/TiN多层薄膜的工艺基础研究
  • 3.2.1 Ti/TiN多层薄膜的沉积工艺参数
  • 3.2.2 Ti/TiN多层薄膜XRD分析
  • 3.2.3 Ti/TiN多层薄膜表面AFM像及横截面SEM形貌
  • 3.2.4 Ti/TiN多层薄膜的显微硬度
  • 3.2.5 Ti/TiN多层薄膜的抗滑动磨损性能
  • 3.2.6 Ti/TiN多层薄膜的膜基结合力
  • 3.3 Ti/TIN超硬多层薄膜的制备、结构及性能
  • 3.3.1 Ti/TiN超硬多层薄膜的沉积工艺参数
  • 3.3.2 Ti/TiN超硬多层薄膜的XRD分析
  • 3.3.3 Ti/TiN超硬多层薄膜的横截面SEM形貌
  • 3.3.4 Ti/TiN超硬多层薄膜的透射电子显微（TEM）分析
  • 3.3.5 Ti/TiN超硬多层薄膜的俄歇电子能谱（AES）分析
  • 3.3.6 Ti/TiN超硬多层薄膜的显微硬度
  • 3.3.7 Ti/TiN超硬多层薄膜的膜基结合力
  • 3.3.8 Ti/TiN超硬多层薄膜的抗滑动磨损性能
  • 3.4 本章小结
  • 4 TiN/TiC多层薄膜制备及性能
  • 4.1 TiN/TiC多层薄膜的沉积工艺参数
  • 4.2 TiN/TiC多层薄膜的XRD分析
  • 4.3 TiN/TiC多层薄膜的透射电子显微（TEM）分析
  • 4.4 TiN/TiC多层薄膜的俄歇电子能谱（AES）分析
  • 4.5 TiN/TiC多层薄膜的显微硬度
  • 4.6 TiN/TiC多层薄膜的膜基结合力
  • 4.7 TiN/TiC多层薄膜的抗滑动磨损性能
  • 4.8 本章小结
  • 5 TiNbN结构多层薄膜制备及性能
  • 5.1 TiNbN薄膜的沉积工艺参数
  • 5.2 TiNbN薄膜的成分、结构及性能
  • 5.2.1 TiNbN薄膜成分分析
  • 5.2.2 TiNbN薄膜的XRD分析
  • 5.2.3 TiNbN薄膜的透射电子显微（TEM）分析
  • 5.2.4 TiNbN薄膜的硬度测试
  • 5.2.5 TiNbN薄膜的膜基结合力
  • 5.3 TiNbN薄膜荷能粒子的轰击效应分析
  • 5.4 TiNbN结构多层薄膜的制备工艺
  • 5.5 TiNbN结构多层薄膜的结构及性能
  • 5.5.1 TiNbN结构多层薄膜的XRD分析
  • 5.5.2 TiNbN结构多层薄膜的显微硬度分析
  • 5.5.3 TiNbN结构多层薄膜的膜基结合力
  • 5.5.4 TiNbN结构多层薄膜的抗滑动磨损性能
  • 5.6 本章小结
  • 6 薄膜材料的价电子结构及界面电子结构计算
  • 6.1 余氏理论及程氏理论简介
  • 6.2 薄膜材料的价电子结构
  • 6.2.1 TiN的价电子结构计算
  • 6.2.2 Ti的价电子结构计算
  • 6.2.3 TiC和NbN的价电子结构计算
  • 6.3 TiN等结构及力学性能的讨论
  • 6.4 薄膜材料的界面电子结构
  • 6.4.1 Ti/TiN的界面电子结构计算
  • 6.4.2 TiN/TiC的界面电子结构计算
  • 6.4.3 TiN/NbN的界面电子结构计算
  • 6.5 界面电子结构分析
  • 6.6 本章小结
  • 7 PBAIP沉积硬质多层薄膜的硬度增强机制分析
  • 7.1 Ti/TiN多层薄膜硬度增强机制分析
  • 7.2 TiN/TiC多层薄膜无硬度增强分析
  • 7.3 TiNbN结构多层薄膜硬度增强机制分析
  • 7.4 本章小结
  • 8 结论及展望
  • 参考文献
  • 攻读博士学位期间发表学术论文情况
  • 创新点摘要
  • 致谢
  • 大连理工大学学位论文版权使用授权书

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