CNχ-TiN薄膜的PLD法制備、結構與機械性能.pdf

1、本文主要通過TiN和CNx薄膜的脈沖激光沉積法(PLD)合成研究確立CNx和TiN薄膜的共沉積條件,并在共沉積條件下制備了CNx-TiNy納米復合膜和CNx/TiN納米多層膜;考察了晶態(tài)TiN模板對CNx相的協(xié)同生長效應,探索PLD法合成CNx結晶相的可能性;考察了PLD法合成的CNx-TiNy納米復合薄膜和CNx/TiN納米多層薄膜的力學和摩擦學性能,為高耐磨、自潤滑特性涂層的制備開辟新的技術途徑。
　　 PLD法合成的TiN

2、薄膜含氮量低于TiN相化學計量比,薄膜中存在過計量的金屬Ti相(4～50 at.％)。靶襯間距和沉積氣壓對薄膜氮含量的影響顯著高于沉積溫度和激光通量。TiN相的擇優(yōu)取向特性對沉積溫度較為敏感,較高沉積溫度下表現(xiàn)為(200)擇優(yōu)取向。增加靶襯間距和沉積氣壓,降低激光通量可以獲得較為光滑的薄膜。較優(yōu)條件下制備的TiNx薄膜(金屬Ti相含量12.6 at.％),硬度可達24.6 Gpa,彈性模量為239 Gpa,磨損率約10-6mm3/Nm量

3、級。
　　 PLD法合成的CNx薄膜均呈非晶狀態(tài),氮含量為20～42 at.％。在高氮含量薄膜中觀察到嵌入的氮分子,含量約為2～8 at.％,并隨沉積氣壓、靶襯間距的增加或激光通量的降低而增加。CNx薄膜的組織結構和原子結合狀態(tài)對力學性能影響十分顯著,薄膜力學性能與薄膜中sp3 C雜化鍵含量之間的正比關系。選擇低沉積溫度、低沉積氣壓、小的靶襯距離和高激光通量有助于獲得高硬度、高彈性模量的CNx薄膜。CNx薄膜的磨損機理主要為粘著

4、磨損,摩擦過程中易在Si3N4球表面形成碳質轉移膜;CNx薄膜的摩擦系數(shù)為0.1～0.25,磨損率約10-5～10-7 mm3/Nm量級。
　　 采用石墨和鈦的扇形組合靶,在共沉積條件下合成了CNx-TiN0.88復合薄膜。未觀察到TiN0.88相對CNx相結晶狀態(tài)的影響。該復合薄膜的摩擦磨損性能優(yōu)于單一CNx和TiN薄膜。當靶材G/Ti比為1時,所制備CNx-TiN0.88復合薄膜的耐磨性能最佳,磨損率為3.2×10-7mm3

5、/Nm。
　　 采用PLD交替燒蝕技術分別制備了雙層周期恒定和CNx層厚比恒定的CNx/TiN納米多層膜。當薄膜形成納米多層結構時,其力學和摩擦學性能都得到顯著提高。通過改變多層膜的雙層周期或CNx層厚比,未能在CNx/TiN多層膜中獲得CNx結晶相。CNx層厚比為0.47的CNx/TiN納米多層膜,硬度為30.4 Gpa,摩擦系數(shù)為0.263,磨損率約2.5×10-7mm3/Nm,具有較好的摩擦學性能。而雙層周期為13.5 n

6、m的CNx/TiN多層膜具有超高硬度(硬度可達41.6 Gpa),且薄膜與基體結合良好,穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)為0.157,磨損率約2.0×10-7mm3/Nm,呈現(xiàn)高耐磨、自潤滑的摩擦學特性,具有一定的摩擦學應用價值。
　　 CNx-TiNy復合薄膜和CNx/TiN納米多層膜與Si3N4球在潮濕大氣中的磨損機理均為粘著磨損,薄膜的摩擦學特性與摩擦過程中Si3N4表面形成的碳質轉移膜密切相關。該磨損機理的揭示可以為CNx/TiN多層膜等高