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反应磁控溅射镀制（Ti，Nb）N硬质薄膜的研究

2020-11-29阅读(978)

反应磁控溅射镀制（Ti，Nb）N硬质薄膜的研究

论文摘要

本课题的目的是在剃须刀片刃口上镀制一层硬质薄膜,以提高刀片的锋利度和使用舒适性,并对所镀制的硬质薄膜工艺参数、性能进行研究。本文首先对硬质薄膜的发展作了概述,着重综述了TiN复合镀层和纳米硬质薄膜的研究进展；在此基础上,选用双靶反应共溅射方法,在剃须刀片表面和刃口上沉积了（Ti, Nb） N薄膜。通过改变沉积温度和反应气体压强得到不同的样品,并对膜层的相结构和性能进行了分析和测试。为了使实验设备符合项目需要,我们对实验设备进行了改造,主要是加设双靶共溅射系统以及工件架系统。为了提供靶的设计理论依据,以小平面溅射源的膜材溅射模0型为出发点,逐步逼近于现实模型,依次推导出基片可绕中心轴旋转、溅射源为环形跑道两种情形,并最终推导出与实际相符合的环形溅射源与旋转基片倾斜α角的最终理论模型,对最终理论模型进行无量纲化,并且利用Matlab编程计算,得出了最优化的靶基距。该推导和计算过程及方法同样适用于其它双靶共溅射系统的设计,只要改变相应的参数即可。为了研究温度对（Ti, Nb） N薄膜表面形貌和相结构的影响,在300℃-500℃的范围内调整反应温度,结果表明：随着反应温度的升高,晶粒的尺寸在减小,薄膜晶粒逐渐变得均匀、平整和致密。文中根据热力学原理计算出沉积体系中各种化合物相的生成能,并结合温度对膜层的相结构进行了分析和解释。当沉积温度比较低时（300℃）,优先生成TiN相,而Nb无法与N化合,只能部分取代TiN晶格中Ti的部分位置,形成置换固溶的（TiNb）N相。当温度增加到400℃以上时,离子能够达到克服NbN相的生成势垒要求,此时不仅得到了较容易生成的TiN相,而且也得到了较难生成的NbN相。为了研究工作气压对（Ti, Nb） N薄膜相结构及硬度的影响,我们分别做了400℃下,0.2pa,0.3pa,0.4pa,0.6pa,0.8pa和1.0pa六组实验。结果表明：当工作气压低于0.4pa时,生成的（Ti, Nb） N薄膜沿（111）面择优生长；当工作气压高于0.4pa时,生成（Ti, Nb） N薄膜沿（200）面择优生长。而且,当工作气压高于0.4pa,即（Ti, Nb） N薄膜沿（200）面择优生长时,薄膜和基体的混合硬度会呈现先增大后减小的趋势,并且在工作气压为0.8pa时达到最大硬度,为194HV。为了研究镀膜后刀片刃口的锋利度,我们对刀片做了切割力测试,并且对各组样品做刀片刃口的SEM扫描。结果表明：在刀片刃口完好,没有损伤的情况下,锋利度与薄膜的硬度成正比。但是刃口的宽度和刃口角对刀片的锋利度具有至关重要的影响,要达到Gillette刀片的锋利度,首要的就是改进研磨工艺,减小现有刀片的刃口宽度和刃口角。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 引言
  • 1.2 直流反应磁控溅射及其特点
  • 1.3 硬质薄膜发展概况
  • 1.4 剃须刀片镀膜的发展
  • 1.5 本课题的任务和目的
  • 第2章 TiN复合镀层及纳米硬质薄膜的研究进展
  • 2.1 TiN复合镀层的研究进展
  • xN1-x)复合镀层'>2.1.1 Ti(CxN1-x)复合镀层
  • 3N4复合镀层'>2.1.2 Ti-Si-N复合镀层、Ti-B-N复合镀层和Ti-C3N4复合镀层
  • 2.1.3 （Ti,AI）N复合镀层、（Ti,Cr）N复合镀层和（Ti,Nb）N复合镀层
  • 2.2 纳米硬质薄膜的研究进展
  • 2.2.1 纳米多层膜
  • 2.2.2 纳米复合薄膜
  • 2.2.3 纳米复合薄膜的性能特点
  • 第3章 理论计算与靶的设计
  • 3.1 基本概念与模型
  • 3.1.1 基片可绕中心轴旋转的情形
  • 3.1.2 溅射源为环形跑道的情形
  • 3.1.3 环形跑道与旋转基片成α角情形
  • 3.2 计算结果与讨论
  • 第4章 实验设备与方法
  • 4.1 实验设备
  • 4.2 基片前处理
  • 4.3 薄膜的结构与性能表征方法
  • 4.4 实验工艺和参数
  • 第5章 工艺参数对薄膜性能的影响
  • 5.1 反应温度对（Ti,Nb）N薄膜表面形貌的影响
  • 5.2 反应温度对薄膜相结构的影响
  • 5.3 工作气压对生成的（Ti,Nb）N薄膜结构的影响
  • 5.4 靶电流对薄膜组成的影响
  • 5.5 工艺条件对薄膜硬度的影响
  • 5.6 切割力检测结果分析
  • 第6章 结论与展望
  • 6.1 全文总结
  • 6.2 工作展望
  • 参考文献
  • 致谢

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