TiSiN、Ti-Al-N和TiSiN-Ag复合膜的结构及性能研究

发布时间：2019-07-18 06:36

【摘要】：本文采用JGP-450型反应磁控溅射仪,在室温下分别沉积了不同Si含量的TiSiN复合膜、不同Al含量的Ti-Al-N复合膜和不同Ag含量的TiSi N-Ag复合膜。对薄膜的成分、微结构、截面形貌、抗氧化性、显微硬度、膜基结合力及摩擦磨损性能进行表征并分析。研究结果如下:对不同Si含量的TiSiN复合膜的研究表明:TiN薄膜由面心立方TiN相组成,以c-TiN(111)晶面为择优取向。向TiN中添加Si元素,少量Si原子溶入TiN形成置换固溶体(Ti,Si)N,超过固溶度后在薄膜中形成非晶Si3N4相。非晶Si3N4相的存在能有效提高薄膜的抗氧化性。随着Si含量的增加,TiSiN复合膜的显微硬度和弹性模量先升高后降低。适量Si元素可提高薄膜的膜基结合力。Si加入TiN中,薄膜的磨损率大幅降低。随着Si含量的增加,薄膜的室温摩擦系数降低,800℃时的摩擦系数升高;在200~600℃时,Si元素对TiN薄膜的摩擦系数无明显影响。对不同Al含量的Ti-Al-N复合膜的研究表明:当Al含量小于25.72at.%时,Ti-Al-N复合膜以面心立方的TiN相为主,以c-TiN(111)晶面为择优取向,Al原子溶入c-TiN形成c-(Ti,Al)N置换固溶体。当Al含量为25.72at.%时,Ti-Al-N复合膜中出现少量六方AlN相。随着Al含量的增加,薄膜硬度和弹性模量升高,膜基结合力增强;室温和800℃时的摩擦系数升高,磨损率大幅降低。在200~600℃时,Al元素对TiN薄膜的摩擦系数无明显影响。当Al含量大于28.47at.%时,c-TiN相消失,六方AlN成为主要相,存在少量面心立方AlN相,Ti原子溶入h-AlN形成h-(Al,Ti)N置换固溶体。随着Al含量的增加,薄膜硬度升高,膜基结合力下降;室温摩擦系数和磨损率下降;800℃时的摩擦系数下降,磨损率升高。Al元素在高温时形成的Al2O3氧化层能提高Ti-Al-N复合膜的抗氧化性能。对不同Ag含量的TiSiN-Ag复合膜的研究表明:向TiSiN复合膜中添加Ag元素,Ag以独立相存在,当Ag含量为8.21at.%时,出现面心立方Ag(111)衍射峰,单质Ag相的存在阻碍TiN晶粒的生长。随着Ag含量的增加,TiSiN-Ag复合膜的硬度和弹性模量逐渐降低。当Ag含量为20.34at.%时,薄膜的膜基结合力达最大值14N。随着Ag含量的增加,薄膜中具有润滑作用的单质Ag相增多,导致TiSiN-Ag复合膜的摩擦系数和磨损率不断减小。
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图片说明：图 1.1 纳米复合膜的典型结构示意图Fig.1.1 Schematic structure of superhard nano-composite film制备方法用最普遍的工艺是化学气相沉积（CVD）和物理气用各种反应气体通过化学反应生成所需物质，，然后法具有沉积时对气压要求低，设备要求低且易操作形状不规整的工件上沉积的薄膜的均匀性也较好。材表面的材料脱离靶材表面，然后在相应的气氛中物质，沉积一定厚度的薄膜。磁控溅射技术具备工沉积的薄膜致密均匀、膜基结合力强、薄膜成分可此磁控溅射法是目前生产和实验最常用的 PVD 法。射设备，到 80 年代就得到广泛应用，发展非常迅的致硬机理
文内图片：磁控溅射工作原理图

图片说明：法与实验设备本原理膜技术有多种，磁控溅射镀膜法是最主要的、辉光放电生成低温等离子体，这种等离子得加速。当离子高速到达用于制备薄膜的靶中的原子轰离基体，即原子溅射出来。本文示。在靶下面的磁铁产生一个闭合的磁场，的同时做螺旋前进运动，运动的电子以极快于更多的正离子撞击靶材表面，提高溅射速大大降低腔室中的气压，减少靶材原子沉积少能量损失的同时提高薄膜质量，并且溅射
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG174.4

【参考文献】