TaN/TiSiN纳米多层膜微观结构与力学性能研究
发布时间：2021-01-18 10:27
随着制造技术的不断进步,刀具切削环境也变的更加复杂多样,对刀具材料提出了更高的要求。为了更好的改进和提升材料的一些性能,可以在刀具表面沉积一层或多层与基体材料不同的薄膜材料。纳米多层膜因为其优异的性能,引起了广泛的关注。本文利用JCP-350M2型高真空多靶磁控溅射镀膜机制备了一系列具有不同Si含量以及不同调制周期的TaN/TiSiN纳米多层膜,并选用X射线衍射仪、扫描电镜、纳米压痕仪等设备对所制备的薄膜进行表征,研究元素含量以及调制周期对TaN/TiSiN纳米多层膜微观结构及力学性能的影响,并研究其高温摩擦磨损性能。研究结果如下:（1）不同Si含量的TaN/TiSiN纳米多层膜均在（200）晶面呈现择优取向,随着Si含量的增多,（200）晶面存在向右偏移的现象。当Ti Si靶Si含量为10at.%时,硬度最大为25.85GPa。当Ti Si靶Si含量为15at.%时,表面粗糙度最小为2.34nm,且摩擦系数最小,耐磨性能最好。（2）不同调制周期的TaN/TiSiN纳米多层膜均在（111）晶面和（200）晶面呈现择优取向。当调制周期为25nm时,衍射峰的强度最强,结晶程度最好,硬度最大...
【文章来源】：北方工业大学北京市
【文章页数】：57 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
磁控溅射技术原理图[27]
第二章纳米多层膜的制备与表征10第二章纳米多层膜的制备与表征2.1纳米多层膜的制备2.1.1实验材料及实验设备实验材料主要为基片材料以及溅射时所需要的靶材和气体。基片材料为304不锈钢圆形基片，尺寸为Φ20mm×3mm，镜面抛光，基本化学成分如表2-1所示。溅射所选用的靶材均为Φ40.8mm×4mm的圆形靶材，分别是纯度为99.9%的金属Ti靶、纯度为99.95%的金属Ta靶以及纯度为99.9%的TiSi合金靶，TiSi合金靶的Si含量分别为5at.%、10at.%、15at.%、20at.%、25at.%、30at.%。工作气体为Ar气，反应气体为N2气，气体纯度均为99.99%。表2-1304不锈钢基本化学成分元素CSiMnCrNiSP含量（wt%）≤0.08≤1.0≤2.017-198-11≤0.03≤0.035实验设备为国产JCP-350M2型高真空多靶磁控溅射镀膜机，如图2-1所示。设备主要由真空腔室、基片台、溅射靶、电源、真空系统、水路系统、电气控制系统以及机架辅件等组成，真空腔室内靶材支架与基片台分布如图2-2所示。各溅射靶与基片台均配置了独立挡板，可以保证镀膜的工艺性。真空室门及侧部位置均装有观察窗。可以用来制备纳米级单层及多层的金属导电薄膜、半导体薄膜以及陶瓷绝缘薄膜等。图2-1JCP-350M2型高真空多靶磁控溅射镀膜机
第二章纳米多层膜的制备与表征11基片台靶1靶3靶2Ta靶Ti靶TiSi靶图2-2真空腔室内靶材支架与基片台分布图2.1.2纳米多层膜制备前预处理基片材料的表面质量会影响所制备出的薄膜的质量和性能，因此为了确保薄膜的性能以及薄膜与基体之间的良好结合力，在镀膜之前必须要保证基体材料的表面平整清洁。实验所选购的304不锈钢已经进行过镜面抛光，确保了其粗糙度和平整度，因此不再需要进行水磨抛光。而为了去除基片表面的附着物以及油污等污染物，使用丙酮和无水乙醇对基片进行超声清洗并烘干。在正式实验开始之前，必须要测定各种靶材的沉积速率。不同靶材的沉积速率都是不一样的。溅射靶材时所选用的电源、电源功率、温度等都会影响沉积速率。甚至不同的实验设备，沉积功率都不尽相同。因此，需要通过实验来测定靶材的沉积速率。清洗结束后，在干净的基片上贴上隔热胶带。遮挡住部分基片后放入真空腔室内的基片台上。使用同正式实验相同的相关实验参数进行靶材溅射3小时，沉积结束后取出基片并取下隔热胶带，基片表面未被隔热胶带遮挡部分会沉积上一定厚度的薄膜，与被遮挡部分形成一定的高度差，即所沉积薄膜的厚度。图2-3为测试沉积速率的实验试样。使用OlympusOLS41003D测量激光显微镜测量出高度差，取三个点求出平均厚度，根据沉积时间3小时，就可以得到相应靶材的沉积速率。具体沉积速率如表2-2、表2-3所示。图2-3测试沉积速率的实验试样
【参考文献】：
期刊论文
[1]磁控溅射制备氮化钽导电薄膜及其性能研究[J]. 梁军生,陈亮,王金鹏,张朝阳,王大志. 电子元件与材料. 2018(08)
[2]Si含量对VAlSiN涂层微结构、力学性能和摩擦磨损性能的影响[J]. 王恩青,岳建岭,李淼磊,李栋,黄峰. 材料工程. 2017(04)
[3]磁控溅射沉积Al/AlN纳米多层膜的摩擦学性能[J]. 王云锋,张广安,吴志国. 中国表面工程. 2016(01)
[4]晶体X射线衍射模型和布拉格方程的一般推导[J]. 胡建民,王蕊,王春婷,张超,王月媛. 大学物理. 2015(03)
[5]Si含量对CrN/TiSiN纳米多层膜显微结构和力学性能的影响[J]. 王建鹏,李伟,刘平,马凤仓,刘新宽,陈小红,何代华. 中国有色金属学报. 2014(03)
[6]TiN/Ti多层膜调制比对摩擦磨损行为影响的研究[J]. 龚海飞,邵天敏,张晨辉,徐军. 无机材料学报. 2008(04)
[7]超硬纳米多层膜致硬机理研究[J]. 杜会静,田永君. 无机材料学报. 2006(04)
[8]国内外切削刀具涂层技术发展综述[J]. 赵海波. 工具技术. 2002(02)
[9]化学气相沉积[J]. 田民波. 表面技术. 1989(03)
硕士论文
[1]TiSiN、Ti-Al-N和TiSiN-Ag复合膜的结构及性能研究[D]. 管斌.江苏科技大学 2017
[2]钛铝基自润滑复合材料的摩擦学特性研究[D]. 徐增师.武汉理工大学 2013
[3]Ti-Si-N类超硬表面的结构和力学性能的第一性原理计算[D]. 张亮.内蒙古科技大学 2009
[4]CrN/SiNx纳米多层膜的制备表征及热稳定性研究[D]. 安涛.吉林大学 2005
本文编号：2984789
【文章来源】：北方工业大学北京市
【文章页数】：57 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
磁控溅射技术原理图[27]
第二章纳米多层膜的制备与表征10第二章纳米多层膜的制备与表征2.1纳米多层膜的制备2.1.1实验材料及实验设备实验材料主要为基片材料以及溅射时所需要的靶材和气体。基片材料为304不锈钢圆形基片，尺寸为Φ20mm×3mm，镜面抛光，基本化学成分如表2-1所示。溅射所选用的靶材均为Φ40.8mm×4mm的圆形靶材，分别是纯度为99.9%的金属Ti靶、纯度为99.95%的金属Ta靶以及纯度为99.9%的TiSi合金靶，TiSi合金靶的Si含量分别为5at.%、10at.%、15at.%、20at.%、25at.%、30at.%。工作气体为Ar气，反应气体为N2气，气体纯度均为99.99%。表2-1304不锈钢基本化学成分元素CSiMnCrNiSP含量（wt%）≤0.08≤1.0≤2.017-198-11≤0.03≤0.035实验设备为国产JCP-350M2型高真空多靶磁控溅射镀膜机，如图2-1所示。设备主要由真空腔室、基片台、溅射靶、电源、真空系统、水路系统、电气控制系统以及机架辅件等组成，真空腔室内靶材支架与基片台分布如图2-2所示。各溅射靶与基片台均配置了独立挡板，可以保证镀膜的工艺性。真空室门及侧部位置均装有观察窗。可以用来制备纳米级单层及多层的金属导电薄膜、半导体薄膜以及陶瓷绝缘薄膜等。图2-1JCP-350M2型高真空多靶磁控溅射镀膜机
第二章纳米多层膜的制备与表征11基片台靶1靶3靶2Ta靶Ti靶TiSi靶图2-2真空腔室内靶材支架与基片台分布图2.1.2纳米多层膜制备前预处理基片材料的表面质量会影响所制备出的薄膜的质量和性能，因此为了确保薄膜的性能以及薄膜与基体之间的良好结合力，在镀膜之前必须要保证基体材料的表面平整清洁。实验所选购的304不锈钢已经进行过镜面抛光，确保了其粗糙度和平整度，因此不再需要进行水磨抛光。而为了去除基片表面的附着物以及油污等污染物，使用丙酮和无水乙醇对基片进行超声清洗并烘干。在正式实验开始之前，必须要测定各种靶材的沉积速率。不同靶材的沉积速率都是不一样的。溅射靶材时所选用的电源、电源功率、温度等都会影响沉积速率。甚至不同的实验设备，沉积功率都不尽相同。因此，需要通过实验来测定靶材的沉积速率。清洗结束后，在干净的基片上贴上隔热胶带。遮挡住部分基片后放入真空腔室内的基片台上。使用同正式实验相同的相关实验参数进行靶材溅射3小时，沉积结束后取出基片并取下隔热胶带，基片表面未被隔热胶带遮挡部分会沉积上一定厚度的薄膜，与被遮挡部分形成一定的高度差，即所沉积薄膜的厚度。图2-3为测试沉积速率的实验试样。使用OlympusOLS41003D测量激光显微镜测量出高度差，取三个点求出平均厚度，根据沉积时间3小时，就可以得到相应靶材的沉积速率。具体沉积速率如表2-2、表2-3所示。图2-3测试沉积速率的实验试样
【参考文献】：
期刊论文
[1]磁控溅射制备氮化钽导电薄膜及其性能研究[J]. 梁军生,陈亮,王金鹏,张朝阳,王大志. 电子元件与材料. 2018(08)
[2]Si含量对VAlSiN涂层微结构、力学性能和摩擦磨损性能的影响[J]. 王恩青,岳建岭,李淼磊,李栋,黄峰. 材料工程. 2017(04)
[3]磁控溅射沉积Al/AlN纳米多层膜的摩擦学性能[J]. 王云锋,张广安,吴志国. 中国表面工程. 2016(01)
[4]晶体X射线衍射模型和布拉格方程的一般推导[J]. 胡建民,王蕊,王春婷,张超,王月媛. 大学物理. 2015(03)
[5]Si含量对CrN/TiSiN纳米多层膜显微结构和力学性能的影响[J]. 王建鹏,李伟,刘平,马凤仓,刘新宽,陈小红,何代华. 中国有色金属学报. 2014(03)
[6]TiN/Ti多层膜调制比对摩擦磨损行为影响的研究[J]. 龚海飞,邵天敏,张晨辉,徐军. 无机材料学报. 2008(04)
[7]超硬纳米多层膜致硬机理研究[J]. 杜会静,田永君. 无机材料学报. 2006(04)
[8]国内外切削刀具涂层技术发展综述[J]. 赵海波. 工具技术. 2002(02)
[9]化学气相沉积[J]. 田民波. 表面技术. 1989(03)
硕士论文
[1]TiSiN、Ti-Al-N和TiSiN-Ag复合膜的结构及性能研究[D]. 管斌.江苏科技大学 2017
[2]钛铝基自润滑复合材料的摩擦学特性研究[D]. 徐增师.武汉理工大学 2013
[3]Ti-Si-N类超硬表面的结构和力学性能的第一性原理计算[D]. 张亮.内蒙古科技大学 2009
[4]CrN/SiNx纳米多层膜的制备表征及热稳定性研究[D]. 安涛.吉林大学 2005
本文编号：2984789
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