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本文首先对类金刚石薄膜和TiAIN薄膜的研究背景、结构性能、制备方法、表征、应用以及生长机理进行了综述。在此基础上,将非平衡磁控溅射和电弧离子镀工艺相结合,并使用霍尔离子源辅助,制备了过渡层为Cr、掺杂Ti的DLC薄膜。并研究了霍尔放电电流、乙炔气量、氮气气量对类金刚石薄膜性能的影响。采用激光拉曼光谱分析了薄膜的微观结构;X射线能谱仪进行了深度剖析;扫描电子显微镜观察薄膜的表面形貌,并用轮廓仪测量薄膜厚度;色差仪观测薄膜的颜色;显微硬度计测量薄膜的硬度;大载荷划痕仪测量薄膜的结合力;摩擦磨损试验机检测薄膜的摩擦系数;电化学工作站测试了薄膜的耐腐蚀性。之后,通过改变靶位置和靶材料,制备了不同Al含量的TiAlN薄膜。采用X射线衍射仪分析了薄膜的结构;X射线能谱仪进行了深度剖析;扫描电子显微镜观察薄膜的表面形貌,并用轮廓仪测量薄膜厚度:显微硬度计测量薄膜的硬度;大载荷划痕仪测量薄膜的结合力;摩擦磨损试验机检测薄膜的摩擦系数。在以上工作基础上制备了TiAlN/DLC薄膜,并与以上两种薄膜进行了性能比较。
DLC薄膜部分:
(1)随霍尔电流增加,薄膜沉积速率下降,表面趋于光滑,I<,D>/I<,G>比例增大,sp<3>键含量的下降,摩擦系数略有下降。
(2)随乙炔量增加,薄膜沉积速率增大,但薄膜变的粗糙, I<,D>/I<,G>值减小,sp<3>键含量增多,摩擦系数下降。
(3)当氮气分压增加时,薄膜沉积速率下降,薄膜变的光滑,摩擦系数降低。当N<,2>量少于30sccm时,薄膜中的sp<3>含量逐渐增大;继续增加N<,2>含量时,由于薄膜中存在大量的碳氮键;使薄膜不再符合Ferrari模型,导致不能用I<,D>/I<,G>比例来定性说明薄膜中的sp<3>含量。
(4)本次实验制备的所有DLC薄膜sp<3>键含量接近,硬度变化不明显;过渡层制备工艺大致相同,测得薄膜结合力变化不大:薄膜显著提高基体电极的抗腐蚀能力;测得DLC薄膜阻值均高于2MΩ,类金刚石薄膜为高电阻膜。 Ti<,1-x>Al<,x>N薄膜部分:
(5)随Al含量增多,Ti<,1-x>Al<,x>N沉积速率变大:晶体结构XRD图谱出现TiAIN的特征谱线。x在51at%时Ti<,1-x>Al<,x>N薄膜有最高的显微硬度,此时摩擦系数最小;薄膜随Al含量增多,表面粗糙;不同Al含量的薄膜结合力大致相同。
TiAlN/DLC薄膜部分:
(6) TiAIN/DLC薄膜平均膜厚为1.1μm,沉积速率为0.75μm/h,表面比较粗糙;由XPS深层剖析可知,TiAlN/DLC薄膜表层结构与DLC薄膜相似,里层结构与TiAlN薄膜相似;TiAlN/DLC薄膜的显微硬度与DLC薄膜显微硬度接近,低于TiAlN薄膜显微硬度;TiAlN/DLC膜耐磨性能优于TiAlN薄膜和DLC薄膜,TiAlN/DLC耐腐蚀性能优于DLC薄膜。