磁控溅射制备Cu-Zr合金薄膜及其性能研究

发布时间：2017-09-30 15:47

  本文关键词：磁控溅射制备Cu-Zr合金薄膜及其性能研究

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【摘要】：近年来,非晶合金薄膜由于其微观上短程有序长程无序的特殊结构导致其具有优异的综合力学性能、良好的生物相容性、优异的耐腐性等,已经得到了越来越多的关注。磁控溅射技术虽然是最成熟的镀膜技术之一,然而磁控溅射发沉积非晶合金薄膜依然是很具有挑战性的话题。本文选择非晶形成能力较强的Cu50Zr50合金薄膜作为研究对象。利用磁控溅射镀膜技术,首先在利于薄膜结构表征的单晶硅基底上镀上一层Cu50Zr50非晶合金薄膜,综合利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)等材料分析设备对不同磁控溅射参数制备的Cu-Zr合金薄膜的基本结构、表面形貌、截面形貌进行表征;然后在Ti-6Al-4V合金基底上镀上一系列不同磁控溅射参数的薄膜,利用电化学工作站、摩擦磨损仪、接触角测量仪、抗菌性实验装置研究不同磁控溅射工艺制备的Cu-Zr合金薄膜的电化学腐蚀性能、耐磨性能、亲疏水性能、表面能与抗菌效果。磁控溅射的功率越高、时间越长,薄膜的厚度越大,基片的温度越高。本课题目的在于制备Cu-Zr非晶合金薄膜,研究发现,薄膜的结晶倾向性和基片的温度有关,基片温度越高,薄膜的结晶倾向性越强。Cu-Zr合金薄膜是以纳米玻璃的形式存在的,这种纳米玻璃由很多原子团簇组成。磁控溅射的功劳越高、时间越长,则原子团簇的尺寸越大。磁控溅射沉积薄膜的过程可以分为两个阶段:第一阶段是新相形成阶段,薄膜表面的粗糙度逐渐增大;第二阶段是薄膜生长阶段,扩散起主要作用,薄膜表面的粗糙度逐渐减小。薄膜和基片之间存在扩散层,基片的温度越高,扩散层的厚度越大。对不同磁控溅射参数下制备的Cu-Zr合金薄膜进行了电化学腐蚀实验,得到了塔菲尔极化曲线和自腐蚀电位、自腐蚀电流等电化学参数。结果表明:在0.9%的Na Cl溶液中,磁控溅射时间越长和功率越高,所制备的Cu-Zr合金薄膜的耐腐蚀性越好。对不同磁控溅射参数下制备的Cu-Zr合金薄膜进行了摩擦磨损实验,得到了不同磁控溅射参数制备的Cu-Zr合金薄膜的摩擦系数随时间变化的曲线。结果表明:磁控溅射时间越长和功率越高,所制备的Cu-Zr合金薄膜的耐磨性能越好。对不同磁控溅射参数下制备的Cu-Zr合金薄膜进行了表面能测试,得到了不同磁控溅射参数制备的Cu-Zr合金薄膜的接触角和表面能。结果表明,磁控溅射的功率越大,Cu-Zr合金薄膜的表面能越大;随着磁控溅射时间的延长,在磁控溅射第一阶段,Cu-Zr合金薄膜的表面能增大,在磁控溅射的第二阶段,Cu-Zr合金表面能逐渐减小。对不同磁控溅射参数下制备的Cu-Zr合金薄膜进行了抗菌性测试,得到了不同样品对应的菌落图和抗菌率。结果表明,Cu-Zr合金薄膜具有很强的抗菌性,抗菌效果好于基片Ti-6Al-4V合金,Cu-Zr合金薄膜的表面疏水性越好,抗菌性越好。
【关键词】：非晶合金薄膜 磁控溅射 结构 腐蚀性能 磨损行为
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG146.11;TB383.2
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-22
• 1.1 前言10-11
• 1.2 常用镀膜方法简介11-12
• 1.3 非晶合金薄膜的应用及研究现状12-20
• 1.3.1 非晶合金薄膜力学行为研究现状12-14
• 1.3.2 非晶合金制备方法研究现状14-17
• 1.3.3 非晶合金薄膜性能研究现状17-20
• 1.4 论文的主要研究内容20-22
• 第2章 材料制备与分析测试方法22-26
• 2.1 Cu-Zr合金薄膜样品的制备22-23
• 2.2 分析测试方法23-26
• 2.2.1 X射线衍射分析23
• 2.2.2 扫描和能谱分析23
• 2.2.3 原子力显微测试23-24
• 2.2.4 电化学腐蚀测试24
• 2.2.5 摩擦磨损测试24-25
• 2.2.6 接触角测试25
• 2.2.7 抗菌性测试25-26
• 第3章 Cu-Zr非晶合金薄膜基本结构表征26-47
• 3.1 前言26
• 3.2 Cu-Zr合金薄膜X射线衍射分析26-32
• 3.3 Cu-Zr薄膜表面SEM图及其分析32-37
• 3.4 Cu-Zr合金薄膜表面原子力显微及其分析37-45
• 3.5 本章小结45-47
• 第4章 Cu-Zr合金薄膜性能研究47-63
• 4.1 前言47
• 4.2 Cu-Zr合金薄膜的电化学腐蚀行为47-50
• 4.3 Cu-Zr合金薄膜的摩擦磨损行为50-53
• 4.4 Cu-Zr合金薄膜的表面能53-59
• 4.5 Cu-Zr合金薄膜的抗菌性测试59-61
• 4.6 本章小结61-63
• 结论63-64
• 参考文献64-73
• 致谢73

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本文编号：949059