论文部分内容阅读
本论文用离子束辅助真空电弧制备了nc-TiN和nc-ZrN薄膜、nc-TiN/CNx复合薄膜、nc-TiN/Cu和（nc-Ti，W）N/Cu多层薄膜。用X-射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜电镜（SEM）、高分辨透射电镜（HRTEM）、X-射线光电子能谱仪（XPS）、纳米力学测试系统、显微硬度计、划痕仪和表面性能测试仪等设备对制备的试样进行测试分析。研究了离子束对Ti薄膜、Zr薄膜的静态轰击作用和nc-TiN和nc-ZrN薄膜的动态混合；分析了单层nc-TiN和nc-ZrN薄膜的微结构和超硬效应，提出了同质纳米晶/非晶复合超硬薄膜结构模型；研究用钛／石墨靶和甲烷／氮气不同碳源在离子束辅助条件下，用真空电弧沉积的方法制备nc-TiN/CNx薄膜和离子束辅助沉积对其微结构和超硬效应的影响；研究了用离子束辅助真空电弧沉积对nc-TiN/Cu、nc-（Ti，W）N/Cu多层薄膜组织与显微硬度、膜层／基体结合力和耐磨耐性能影响，并用模量差模型解对纳米多层膜的增硬效应进行验证。研究结果表明：
1．低能氮离子束对Ti膜和Zr膜进行离子轰击作用时在Ti膜中有Ti2N相形成，而在Zr膜中则形成ZrN，并且离子束的轰击作用还导致Ti膜和Zr膜显微硬度增加。
2．低能离子束对真空电弧辅助沉积Ti-N薄膜过程中，随低能离子束能量的增大，沉积膜层中Ti2N相增多，并在（002）晶面出现择优取向。低束流，中等强度的加速电压对Ti-N薄膜具有明显的硬化效应，氮离子束加速电压为3500V，束流为80 mA辅助沉积时，薄膜的硬度达到3856HV0．025。
3．高分辨率透射电镜观察分析表明nc-ZrN薄膜的晶界主要由有序-无序界面构成，在晶内呈有序ZrN纳米晶粒，平均尺寸为6．5 nm，无离子束辅助沉积的ZrN晶粒平均尺寸为9nm。而晶界上为一定厚度的无序结构相，平均厚度为1nm，而无离子束辅助的无序网的厚度为1．5 nm。在nc-ZrN薄膜中存在相当多数量的三叉晶界，体积分数约为37．23%。在三叉晶周围主要由多重共格晶界构成，此外，在nc-ZrN晶内存在着一定数量的位错，层错，晶粒弯曲等缺陷。提出了同质纳米晶／非晶复合超硬薄膜结构模型，纳米晶本身具有比较高的硬度和模量，纳米晶的尺寸小于10 nm，纳米晶被同质非晶包围形成无序晶界结构，无序网的厚度比较薄，约为1nm。此外在纳米晶之间也存在错配度较低的多重共格晶界。用纳米力学探针压入法测试nc-ZrN薄膜的硬度均比较高，其平均范围在60～85 GPa，同时也表现出较高的弹性模量和弹性恢复值。离子束流为150 mA，加速电压为3500V的离子束辅助制备的试样纳米压入硬度高达81．23 GPa。
4．以石墨靶作为碳源，氮气作为氮源，用真空电弧沉积的方法制备了CNx薄膜，用XRD和XPS分析表明，薄膜中C、N两种原子之间形成了N-sp3C和N-sp2C两种方式的成键，这说明膜层中有C-N化合物存在。用CH4：N2=1：4的离子束混合法在单晶Si（100）片上制备的薄膜用XRD和XPS分析表明有C-N键和C=N键类型的CNx化合物存在。
5．用钛／石墨复合靶粒子束辅助真空电弧沉积TiN/CNx薄膜，XPS分析表明，增加氮气压力有助于膜层中N-sp2增多，同时C原子间以sp3键相结合的原子所占比列有所减少。0．41Pa条件下沉积的TiN/CNx薄膜平均硬度为68．3GPa，弹性恢复值达到87%。
6．用CH4和N2混合气体进行离子束辅助真空电弧沉积TiN/CNx薄膜，XRD分析表明，薄膜主要为TiN相，并且在TiN（111）出现择优取向；XPS分析表明，薄膜中含有CNx相。用纳米硬度压入仪测试结果表明薄膜具有很高的硬度值，测试硬度达到85．11 GPa，弹性恢复值达到90．3%．
7．用Ti/G复合靶和CH4/N2制备的TiN/CNx具有相似的微结构，透射电镜观察表明该结构为nc-TiN/a-TiN/a（nc）-CNx复合结构模型，其中纳米晶TiN尺寸为10 nm以下，周围主要为同质非晶a-TiN晶界，宽度小于1nm，a-CNx或nc-CNx晶分布在nc-TiN晶角落，对TiN的生长起到钉扎作用，可以有效地稳定TiN晶粒尺寸。在纳米TiN晶粒内还存在少量的位错、层错、空洞和孪晶等缺陷。
8．研究表明离子束辅助沉积TiN/Cu和（Ti，W）N/Cu纳米多层膜中离子束改变了TiN择优取向。扫描电镜观测表明离子束辅助沉积TiN/Cu纳米多层膜中各层界面清晰，但无离子束辅助沉积TiN/Cu纳米多层膜中出现了TiN晶粒轴向生长穿越几个调制周期的现象，这说明离子束辅助沉积有助于抑制TiN晶粒轴向柱状生长。离子束辅助沉积TiN/Cu和（Ti，W）N/Cu纳米多层膜具有很好的力学性能，在调幅周期为T=27nm的条件下，TiN/Cu纳米多层膜表现为较高的硬度（最高达35GPa），同时还具有较好的结合力（临界载荷为45 N），和良好的耐磨性能。通过对纳米多层复合结构中TiN和Cu纳米膜层进行模量差计算表明，TiN/Cu纳米多层膜比单层TiN薄膜的硬度要高，与实际测量接近。