磁过滤阴极弧沉积ta-C薄膜的关键技术及薄膜性能研究
发布时间：2021-11-24 18:00
本文研究了磁过滤阴极弧技术中抑制大颗粒和降低ta-C薄膜残余应力的关键技术,并在316L不锈钢和硅（100）表面制备一系列以钛为过渡层的ta-C薄膜。通过实验研究了磁过滤线圈电流、挡板孔径和脉冲偏压等工艺参数对大颗粒的影响,并运用ANSYS分析了弧源磁场分布对弧斑运动及大颗粒的影响。同时,研究退火前后ta-C薄膜的残余应力、硬度、膜基结合力和摩擦等性能的变化,并运用ANSYS模拟不锈钢基Ti/ta-C的热应力分布,探究ta-C薄膜残余应力过大的原因及降低方法。全文主要内容如下:（1）通过实验发现大颗粒含量随挡板孔径和磁过滤线圈电流的增大而增大,随脉冲偏压的增大而较小。（2）运用有限元方法研究发现随着中心永磁体直径和高度的增加,石墨靶面最大横向磁通密度越大,大颗粒含量越低;随着线圈电流增加,靶面纵向磁通密度零点位置逐渐向靶面中心靠近,弧斑运动更稳定,为有效控制大颗粒含量提供了一种新途径。（3）通过正交试验分析得出中心永磁体直径为18mm,高度为55mm,线圈电流为2A时弧斑运动稳定,大颗粒含量降低。（4）运用有限元方法模拟研究出316L不锈钢基Ti/ta-C复合膜的热应力分布规律,以及沉...
【文章来源】：合肥工业大学安徽省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
DLC薄膜三元相图
2.1.1 弧源磁场控制磁过滤阴极弧技术沉积 ta-C 薄膜选择的靶材是高纯度（99.99%）的石墨靶。该石墨靶是由石墨粉末在高温高压环境下模压而成。石墨在温度不高（低于 1000℃的情况下具有负的电阻率系数，即随着温度的升高，其电阻率降低，因此石墨阴极弧的弧斑易于在电阻较低的一点集聚形成较大的熔池。由文献[71-73]可知阴极弧在磁场中的运动主要满足两种规律：（1）逆安培运动：阴极弧斑在靶面横向磁通密度作用下沿逆安培力的方向做旋转运动，即运动方向与洛伦兹力的方向（j×B）相反，如图 2.1[71]所示。阴极斑点的旋转速度与施加的横向磁场的大小近似呈线性关系。（2）锐角法则：当磁力线与石墨靶面相交一定角度时，阴极斑点在逆安培运动的基础上会叠加一个 Robsen 漂移运动，此漂移运动的方向指向磁力线与阴极靶面所夹的锐角区域，即阴极斑点不断向锐角区域移动。因为弧斑运动速度和靶面横向磁通密度强度满足正比例关系，横向磁场强度越强，弧斑运动速度越快。因此，利用磁场能够控制阴极弧斑的运动，当弧斑运动速度较快时，弧斑尺寸减小，在某处停留时间变短，减少靶材液滴的产生，从而降低大颗粒。
为鞘层中的电场强度。对大颗粒作用力的统称，一般分为三种作量；（2）正离子和大颗粒之间产生库伦力似流体的作用，影响大颗粒周围德拜鞘层经具有几倍于离子热运动的速度，所以采 ( ) ( 量； ( )是相互作用势； 和 分别速度，两者均为位置的函数。和位置的函数，对时间做平均后，只与位虑中性气体的存在，故只考虑大颗粒所受颗粒在鞘层中的受力示意图。
【参考文献】：
期刊论文
[1]类金刚石薄膜及其进展[J]. 苏俊宏,葛锦蔓,徐均琪,吴慎将,陈磊. 应用光学. 2015(05)
[2]改善电弧离子镀涂层大颗粒的试验研究[J]. 董小虹,张中弦,梁航,卞承艺,黄拿灿,黄新民. 金属热处理. 2012(12)
[3]负偏压对电弧离子镀复合TiAlN薄膜的影响[J]. 黄美东,许世鹏,刘野,薛利,潘玉鹏,范喜迎. 表面技术. 2012(06)
[4]基体负偏压对四面体非晶碳膜结构和性能的影响[J]. 蔡建,杨巍,代伟,柯培玲,汪爱英. 中国表面工程. 2011(06)
[5]钛过镀层对类金刚石薄膜的膜基结合力以及摩擦学性能的影响[J]. 石志锋,黄楠,孙鸿,朱生发. 功能材料. 2008(08)
[6]薄膜的应力控制技术研究现状[J]. 蒋钊,陈学康. 真空科学与技术学报. 2008(S1)
[7]磁过滤阴极弧制备四面体非晶碳膜热稳定性研究[J]. 覃礼钊,张旭,吴正龙,刘安东,廖斌. 无机材料学报. 2008(04)
[8]降低DLC薄膜应力的方法研究[J]. 朱昌,邵霄,梁海锋. 西安工业大学学报. 2007(05)
[9]TiO2和SiO2薄膜应力的产生机理及实验探索[J]. 顾培夫,郑臻荣,赵永江,刘旭. 物理学报. 2006(12)
[10]碟形热双金属片曲率和温度的关系[J]. 卜锦鑫. 低压电器. 2000(01)
博士论文
[1]类金刚石（DLC）多层薄膜残余应力调控及其机械性能研究[D]. 徐照英.西南交通大学 2013
[2]铜基体上Ti/TixCy/DLC功能梯度材料的制备及性能的研究[D]. 王静.大连理工大学 2009
[3]脉冲偏压电弧离子镀的工艺基础研究[D]. 林国强.大连理工大学 2008
[4]AIN、ta-C薄膜制备及其在SOI技术中的应用研究[D]. 宋朝瑞.中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所） 2003
硕士论文
[1]多弧离子镀大颗粒的去除及脉冲偏压对膜层特性的影响研究[D]. 董中林.合肥工业大学 2017
[2]石墨阴极弧源复合磁场设计及ta-C薄膜沉积[D]. 张招.哈尔滨工业大学 2016
[3]光学薄膜应力的分布与控制研究[D]. 高春雪.东南大学 2015
[4]脉冲偏压电弧离子镀大颗粒净化的理论与实验研究[D]. 郭慧梅.大连理工大学 2004
本文编号：3516492
【文章来源】：合肥工业大学安徽省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
DLC薄膜三元相图
2.1.1 弧源磁场控制磁过滤阴极弧技术沉积 ta-C 薄膜选择的靶材是高纯度（99.99%）的石墨靶。该石墨靶是由石墨粉末在高温高压环境下模压而成。石墨在温度不高（低于 1000℃的情况下具有负的电阻率系数，即随着温度的升高，其电阻率降低，因此石墨阴极弧的弧斑易于在电阻较低的一点集聚形成较大的熔池。由文献[71-73]可知阴极弧在磁场中的运动主要满足两种规律：（1）逆安培运动：阴极弧斑在靶面横向磁通密度作用下沿逆安培力的方向做旋转运动，即运动方向与洛伦兹力的方向（j×B）相反，如图 2.1[71]所示。阴极斑点的旋转速度与施加的横向磁场的大小近似呈线性关系。（2）锐角法则：当磁力线与石墨靶面相交一定角度时，阴极斑点在逆安培运动的基础上会叠加一个 Robsen 漂移运动，此漂移运动的方向指向磁力线与阴极靶面所夹的锐角区域，即阴极斑点不断向锐角区域移动。因为弧斑运动速度和靶面横向磁通密度强度满足正比例关系，横向磁场强度越强，弧斑运动速度越快。因此，利用磁场能够控制阴极弧斑的运动，当弧斑运动速度较快时，弧斑尺寸减小，在某处停留时间变短，减少靶材液滴的产生，从而降低大颗粒。
为鞘层中的电场强度。对大颗粒作用力的统称，一般分为三种作量；（2）正离子和大颗粒之间产生库伦力似流体的作用，影响大颗粒周围德拜鞘层经具有几倍于离子热运动的速度，所以采 ( ) ( 量； ( )是相互作用势； 和 分别速度，两者均为位置的函数。和位置的函数，对时间做平均后，只与位虑中性气体的存在，故只考虑大颗粒所受颗粒在鞘层中的受力示意图。
【参考文献】：
期刊论文
[1]类金刚石薄膜及其进展[J]. 苏俊宏,葛锦蔓,徐均琪,吴慎将,陈磊. 应用光学. 2015(05)
[2]改善电弧离子镀涂层大颗粒的试验研究[J]. 董小虹,张中弦,梁航,卞承艺,黄拿灿,黄新民. 金属热处理. 2012(12)
[3]负偏压对电弧离子镀复合TiAlN薄膜的影响[J]. 黄美东,许世鹏,刘野,薛利,潘玉鹏,范喜迎. 表面技术. 2012(06)
[4]基体负偏压对四面体非晶碳膜结构和性能的影响[J]. 蔡建,杨巍,代伟,柯培玲,汪爱英. 中国表面工程. 2011(06)
[5]钛过镀层对类金刚石薄膜的膜基结合力以及摩擦学性能的影响[J]. 石志锋,黄楠,孙鸿,朱生发. 功能材料. 2008(08)
[6]薄膜的应力控制技术研究现状[J]. 蒋钊,陈学康. 真空科学与技术学报. 2008(S1)
[7]磁过滤阴极弧制备四面体非晶碳膜热稳定性研究[J]. 覃礼钊,张旭,吴正龙,刘安东,廖斌. 无机材料学报. 2008(04)
[8]降低DLC薄膜应力的方法研究[J]. 朱昌,邵霄,梁海锋. 西安工业大学学报. 2007(05)
[9]TiO2和SiO2薄膜应力的产生机理及实验探索[J]. 顾培夫,郑臻荣,赵永江,刘旭. 物理学报. 2006(12)
[10]碟形热双金属片曲率和温度的关系[J]. 卜锦鑫. 低压电器. 2000(01)
博士论文
[1]类金刚石（DLC）多层薄膜残余应力调控及其机械性能研究[D]. 徐照英.西南交通大学 2013
[2]铜基体上Ti/TixCy/DLC功能梯度材料的制备及性能的研究[D]. 王静.大连理工大学 2009
[3]脉冲偏压电弧离子镀的工艺基础研究[D]. 林国强.大连理工大学 2008
[4]AIN、ta-C薄膜制备及其在SOI技术中的应用研究[D]. 宋朝瑞.中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所） 2003
硕士论文
[1]多弧离子镀大颗粒的去除及脉冲偏压对膜层特性的影响研究[D]. 董中林.合肥工业大学 2017
[2]石墨阴极弧源复合磁场设计及ta-C薄膜沉积[D]. 张招.哈尔滨工业大学 2016
[3]光学薄膜应力的分布与控制研究[D]. 高春雪.东南大学 2015
[4]脉冲偏压电弧离子镀大颗粒净化的理论与实验研究[D]. 郭慧梅.大连理工大学 2004
本文编号：3516492
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