ZrN基納米復(fù)合膜及ZrCN-VN納米多層膜的微結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、本論文采用反應(yīng)磁控濺射法制備了ZrN單層膜,ZrSiN、ZrCN、ZrVN、ZrVCN復(fù)合膜以及ZrCN/VN納米多層膜。采用XPS、EDS、XRD、SEM、AFM、納米壓痕儀和摩擦磨損儀、高溫熱處理爐等對薄膜的化學(xué)成分、微結(jié)構(gòu)、表面形貌、力學(xué)性能、摩擦磨損性能以及高溫抗氧化性能進行了研究。研究結(jié)果表明:
　　ZrN薄膜中呈fcc結(jié)構(gòu),隨著Zr靶功率的增加,ZrN由(200)擇優(yōu)取向轉(zhuǎn)變?yōu)?111)擇優(yōu)取向;其硬度隨著Zr靶功率增

2、加先增大后減小,Zr靶功率為200W時,ZrN薄膜獲得最高硬度值為26.4GPa和最大彈性模量為313GPa。
　　ZrSiN復(fù)合膜呈fcc結(jié)構(gòu),當Si/Zr原子比較小時,ZrSiN復(fù)合膜由沿(200)面擇優(yōu)生長,隨著Si/Zr原子比增加,ZrSiN復(fù)合膜的(200)晶面衍射峰逐漸消失,呈現(xiàn)ZrN(111)擇優(yōu)取向。隨著Si/Zr原子比增加,ZrSiN復(fù)合膜的逐漸降低,彈性模量先升高后降低,彈性模量在Si/Zr原子比0.043時達

3、到最大值,為317GPa。隨著Si含量的增加,ZrSiN薄膜的抗氧化性能加強,其中Si/Zr原子比為0.815的ZrSiN薄膜在800℃下仍未氧化。Si的加入對ZrSiN復(fù)合膜的摩擦性能影響不大。
　　ZrCN復(fù)合膜呈fcc結(jié)構(gòu),當C含量升高時,ZrCN復(fù)合膜的衍射峰逐漸降低并寬化;當(C+N)/Zr原子比小于1時,C進入ZrN的晶格間隙并形成Zr(C,N)固溶體,而當原子比大于1時,多余的C形成非晶態(tài)的CN或單質(zhì)C;隨著C含量增

4、加,ZrCN復(fù)合膜的硬度先增大后減小,含C量為11.9％(原子分數(shù))時達到最高值,為33 GPa;ZrCN復(fù)合膜的摩擦系數(shù)隨 C含量的增加而逐漸減小,磨損所產(chǎn)生的磨痕逐漸變窄、變淺。C的加入使得ZrCN復(fù)合膜的摩擦磨損形式發(fā)生改變,摩擦磨損性能得到提高。
　　ZrVN復(fù)合膜呈fcc結(jié)構(gòu),V的加入使ZrVN復(fù)合膜由沿(200)面擇優(yōu)生長轉(zhuǎn)變?yōu)檠?111)面擇優(yōu)生長;隨著V含量增加,ZrVN復(fù)合膜的硬度先升高后降低,當V含量達到25.

5、8％時薄膜硬度達到最高值,為27.3GPa;薄膜的常溫摩擦系數(shù)隨V含量的增加稍有降低;300℃高溫摩擦磨損時,ZrVN薄膜中出現(xiàn)V2O3,但薄膜的摩擦系數(shù)并未發(fā)生明顯變化。500℃時,ZrVN薄膜中出現(xiàn) Magnéli相 V2O5,V2O3相含量降低,薄膜的摩擦系數(shù)降低。隨著溫度進一步升高,V2O5含量逐漸升高,V2O3相含量進一步降低, ZrVN薄膜的摩擦系數(shù)急劇下降。當溫度升高到700℃時,薄膜的摩擦系數(shù)僅為0.4019。說明V2O

6、5是薄膜高溫摩擦系數(shù)降低的主要因素。
　　在 ZrVCN復(fù)合膜中,V的加入使薄膜的衍射峰變強而且尖銳,薄膜呈現(xiàn)(111)面擇優(yōu)生長;隨V靶功率的增加,薄膜的硬度先增加后降低,當V靶功率為50W時薄膜達到最高硬度,為33.1GPa;薄膜的室溫摩擦磨損性能隨V含量的增大而升高,而700℃時的高溫摩擦磨損性能則隨V含量的升高而降低。最終,在V90W的工藝參數(shù)下制備出的ZrVCN薄膜在保持硬度的同時又兼具了良好的室溫和高溫摩擦磨損性能。<