贵金属Ag，Ru对过渡族金属氮化物薄膜的微结构、力学及摩擦磨损性能影响
发布时间：2021-01-28 04:56
本文采用磁控溅射仪制备了一系列分别含有贵金属元素Ag,Ru的NbN-Ag,TaCN-Ag及Ti Ru N纳米复合膜,利用X射线衍射仪（XRD）,透射电子显微镜（TEM）,扫描电子显微镜（SEM）及搭载的能谱仪（EDS）,拉曼光谱,原子力显微镜,纳米力学综合测试系统,摩擦磨损试验机和激光共聚焦显微镜等设备对薄膜的微结构,力学性能和摩擦磨损性能进行了表征。主要研究结果如下:对不同Ag含量的NbN-Ag复合膜的研究结果表明:NbN-Ag复合膜由fcc-NbN,hcp-NbN和fcc-Ag相组成。随着Ag含量的增加,复合膜的硬度及弹性模量逐渐降低,在Ag含量为19.9 at.%时,达到最小硬度11GPa和最小弹性模量100GPa。室温下,随着Ag含量的增加,复合膜的摩擦系数逐渐降低,磨损率逐渐增大。在200-700℃时:随着温度的增加,Ag含量为9.2 at.%的NbN-Ag复合膜的摩擦系数和磨损率均先上升后降低,在300℃时分别达到最大值0.7和3.9×10-9mm3N-1m-1;Ag含量为19.9 at.%的NbN-Ag复合膜的摩擦系数始终保持在0.3左右,磨损率先上升后下降,在300℃时...
【文章来源】：江苏科技大学江苏省
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
薄膜的生长过程
6图1.2薄膜的生长模式Fig.1.2Themodesoffilmgrowth1.5过渡族金属氮化物薄膜1.5.1过渡族金属氮化物薄膜研究现状过渡族金属氮化物(TransitionMetalNitride，TMN)是以N原子为填充原子进入到金属晶格中形成的金属间填充化合物。由于在其晶格中金属原子d层轨道是相互交叠的，所以其在固态下呈现金属光泽[28]。过渡族金属氮化物薄膜因具有良好的机械性能，耐摩擦磨损性能，抗氧化性能，耐腐蚀性能及光电性能而广泛应用与航空航天，机械加工，半导体行业及生物植入技术等领域。由于过渡族金属氮化物中的N原子是以填充原子的方式进入到过渡族金属中，因此对于过渡族金属氮化物，其在特定范围内会形成非计量化合物。即在晶体内部，金属原子与氮原子之间的数目比是在一定范围内变化的。根据Hagg经验规则，根据过渡族金属氮化物中N原子与过渡族金属(TM)原子的半径之比(RN/RTM)的变化，晶体结构也会发生变化。当RN/RTM小于0.59时，该金属氮化物将为简单的立方(ccp)或六方密堆结构(hcp)，而当RN/RTM大于0.59时，此时薄膜的结构开始呈现复杂的结构[29]。到目前为止，关于二元过渡族金属氮化物薄膜的研究已经较为成熟，早在上世纪，学者们就已经通过PVD，CVD等方法制备了一系列氮化物薄膜，例如TiN，CrN，TaN等，并对其各项性能进行了研究。目前已经广泛应用于各个领域，但是随着相关技术的发展，传统的二元过渡族氮化物薄膜已经越来不能满足目前技术参数的要求。为此目前人们已经更多的将目光聚焦于以过渡族金属氮化物为基础的多元复合薄膜上。目
10第2章薄膜的表征和制备2.1引言截至目前，各种纳米薄膜的制备技术都已十分成熟，其中磁控溅射技术由于可制备薄膜范围宽，溅射原子能量高，膜基结合力好，膜层密度高，重复性好等特点已经广泛应用于金属膜，半导体膜，氧化膜等薄膜的制备。且目前也已经初步进入工业化应用。因此本文选用磁控溅射法制备了一系列含贵金属Ag，Ru的过渡族金属氮化物薄膜试样。接下来对磁控溅射技术原理，薄膜制备工艺及各类检测设备进行介绍。2.2薄膜的制备方法与设备2.2.1薄膜制备设备本文中的所有薄膜均采用由中国科学院沈阳科学仪器厂生产的JGP-450型多靶射频磁控溅射仪制备。该磁控溅射仪主要由溅射系统，真空系统，供气系统，循环冷却系统及控制系统组成，其外观及内部结构如图2.1所示。溅射系统采用倒装式放置，三个独立的射频溅射靶通过支架固定在舱室下方，可进行三种靶材同时溅射。样品架安装在舱室上方，可将衬底固定并做匀速旋转，保证沉积薄膜成分的均匀性。靶材直径为75mm，靶材到样品架的距离均为78mm。在样品架及靶材前方均安装有挡板，可以控制靶材及衬底的开合。真空系统主要由机械泵，分子泵组成，主要保证舱室内的真空度。循环冷却系统主要是负责对分子泵及溅射系统降温。供气系统是为溅射提供氩气及反应气体。通过流量控制计可对气体流量进行调节。通过控制系统可以对溅射过程中各种参数进行控制。图2.1JGP-450多靶磁控溅射仪外观及内部结构示意图Fig.2.1Externalappearanceandinnervacuumchamber"sstructureofJGP-450multi-targetsmagnetronsputter
【参考文献】：
期刊论文
[1]Influence of Ag content on the microstructure, mechanical, and tribological properties of TaVN–Ag films[J]. Tong Chen,Li-hua Yu,Jun-hua Xu. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials. 2018(01)
[2]表面涂层技术的研究现状[J]. 王飞,张超,周隐玉,李凯. 热加工工艺. 2017(10)
[3]含银硬质涂层高温摩擦学性能的研究进展[J]. 何鹏飞,王海斗,马国政,雍青松,陈书赢,徐滨士. 中国有色金属学报. 2015(11)
[4]C含量对TiWCN复合膜微结构、力学性能和摩擦磨损性能的影响[J]. 喻利花,董鸿志,许俊华. 金属学报. 2014(11)
[5]TaMoN复合膜的微结构、力学性能与摩擦性能[J]. 许俊华,薛雅平,曹峻,喻利花. 稀有金属材料与工程. 2014(06)
[6]V含量对TaVN复合膜微结构、力学性能和摩擦性能的影响[J]. 许俊华,薛雅平,曹峻,喻利花. 无机材料学报. 2013(07)
[7]磁控溅射制备TiCN复合膜的微结构与性能[J]. 许俊华,曹峻,喻利花. 中国有色金属学报. 2012(11)
[8]Mo含量对TiMoN薄膜微观组织和摩擦磨损性能的影响[J]. 许俊华,鞠洪博,喻利花. 金属学报. 2012(09)
[9]固体自润滑复合涂层制备技术的研究进展[J]. 郑晨,何祥明,杨茂盛,刘秀波. 苏州大学学报(工科版). 2011(05)
[10]空间固体润滑材料的研究现状[J]. 马国政,徐滨士,王海斗,司红娟. 材料导报. 2010(01)
博士论文
[1]宽温域固体润滑材料及涂层的高温摩擦学特性研究[D]. 李建亮.南京理工大学 2009
本文编号：3004396
【文章来源】：江苏科技大学江苏省
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
薄膜的生长过程
6图1.2薄膜的生长模式Fig.1.2Themodesoffilmgrowth1.5过渡族金属氮化物薄膜1.5.1过渡族金属氮化物薄膜研究现状过渡族金属氮化物(TransitionMetalNitride，TMN)是以N原子为填充原子进入到金属晶格中形成的金属间填充化合物。由于在其晶格中金属原子d层轨道是相互交叠的，所以其在固态下呈现金属光泽[28]。过渡族金属氮化物薄膜因具有良好的机械性能，耐摩擦磨损性能，抗氧化性能，耐腐蚀性能及光电性能而广泛应用与航空航天，机械加工，半导体行业及生物植入技术等领域。由于过渡族金属氮化物中的N原子是以填充原子的方式进入到过渡族金属中，因此对于过渡族金属氮化物，其在特定范围内会形成非计量化合物。即在晶体内部，金属原子与氮原子之间的数目比是在一定范围内变化的。根据Hagg经验规则，根据过渡族金属氮化物中N原子与过渡族金属(TM)原子的半径之比(RN/RTM)的变化，晶体结构也会发生变化。当RN/RTM小于0.59时，该金属氮化物将为简单的立方(ccp)或六方密堆结构(hcp)，而当RN/RTM大于0.59时，此时薄膜的结构开始呈现复杂的结构[29]。到目前为止，关于二元过渡族金属氮化物薄膜的研究已经较为成熟，早在上世纪，学者们就已经通过PVD，CVD等方法制备了一系列氮化物薄膜，例如TiN，CrN，TaN等，并对其各项性能进行了研究。目前已经广泛应用于各个领域，但是随着相关技术的发展，传统的二元过渡族氮化物薄膜已经越来不能满足目前技术参数的要求。为此目前人们已经更多的将目光聚焦于以过渡族金属氮化物为基础的多元复合薄膜上。目
10第2章薄膜的表征和制备2.1引言截至目前，各种纳米薄膜的制备技术都已十分成熟，其中磁控溅射技术由于可制备薄膜范围宽，溅射原子能量高，膜基结合力好，膜层密度高，重复性好等特点已经广泛应用于金属膜，半导体膜，氧化膜等薄膜的制备。且目前也已经初步进入工业化应用。因此本文选用磁控溅射法制备了一系列含贵金属Ag，Ru的过渡族金属氮化物薄膜试样。接下来对磁控溅射技术原理，薄膜制备工艺及各类检测设备进行介绍。2.2薄膜的制备方法与设备2.2.1薄膜制备设备本文中的所有薄膜均采用由中国科学院沈阳科学仪器厂生产的JGP-450型多靶射频磁控溅射仪制备。该磁控溅射仪主要由溅射系统，真空系统，供气系统，循环冷却系统及控制系统组成，其外观及内部结构如图2.1所示。溅射系统采用倒装式放置，三个独立的射频溅射靶通过支架固定在舱室下方，可进行三种靶材同时溅射。样品架安装在舱室上方，可将衬底固定并做匀速旋转，保证沉积薄膜成分的均匀性。靶材直径为75mm，靶材到样品架的距离均为78mm。在样品架及靶材前方均安装有挡板，可以控制靶材及衬底的开合。真空系统主要由机械泵，分子泵组成，主要保证舱室内的真空度。循环冷却系统主要是负责对分子泵及溅射系统降温。供气系统是为溅射提供氩气及反应气体。通过流量控制计可对气体流量进行调节。通过控制系统可以对溅射过程中各种参数进行控制。图2.1JGP-450多靶磁控溅射仪外观及内部结构示意图Fig.2.1Externalappearanceandinnervacuumchamber"sstructureofJGP-450multi-targetsmagnetronsputter
【参考文献】：
期刊论文
[1]Influence of Ag content on the microstructure, mechanical, and tribological properties of TaVN–Ag films[J]. Tong Chen,Li-hua Yu,Jun-hua Xu. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials. 2018(01)
[2]表面涂层技术的研究现状[J]. 王飞,张超,周隐玉,李凯. 热加工工艺. 2017(10)
[3]含银硬质涂层高温摩擦学性能的研究进展[J]. 何鹏飞,王海斗,马国政,雍青松,陈书赢,徐滨士. 中国有色金属学报. 2015(11)
[4]C含量对TiWCN复合膜微结构、力学性能和摩擦磨损性能的影响[J]. 喻利花,董鸿志,许俊华. 金属学报. 2014(11)
[5]TaMoN复合膜的微结构、力学性能与摩擦性能[J]. 许俊华,薛雅平,曹峻,喻利花. 稀有金属材料与工程. 2014(06)
[6]V含量对TaVN复合膜微结构、力学性能和摩擦性能的影响[J]. 许俊华,薛雅平,曹峻,喻利花. 无机材料学报. 2013(07)
[7]磁控溅射制备TiCN复合膜的微结构与性能[J]. 许俊华,曹峻,喻利花. 中国有色金属学报. 2012(11)
[8]Mo含量对TiMoN薄膜微观组织和摩擦磨损性能的影响[J]. 许俊华,鞠洪博,喻利花. 金属学报. 2012(09)
[9]固体自润滑复合涂层制备技术的研究进展[J]. 郑晨,何祥明,杨茂盛,刘秀波. 苏州大学学报(工科版). 2011(05)
[10]空间固体润滑材料的研究现状[J]. 马国政,徐滨士,王海斗,司红娟. 材料导报. 2010(01)
博士论文
[1]宽温域固体润滑材料及涂层的高温摩擦学特性研究[D]. 李建亮.南京理工大学 2009
本文编号：3004396
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