论文部分内容阅读
采用多靶磁控溅射技术，在Si(100)和不锈钢基片上，采用不同负偏压沉积一系列TaN单层膜，采用不同V靶功率制备一系列不同V含量的TaVN复合膜，采用不同Mo靶功率制备一系列不同Mo含量的TaMoN复合膜，通过控制挡板开合的时间制备一系列不同调制周期的TaN/VN多层膜。利用X射线衍射仪、原子力显微镜、扫描电镜及其配套的能谱仪、纳米压痕仪、高温摩擦磨损测试仪及其配套的三维轮廓仪研究了各种薄膜的微结构、力学性能及不同温度下的摩擦磨损性能。对不同负偏压时沉积的TaN单层膜的研究表明：薄膜主要呈面心δ-TaN和斜方Ta4N晶体结构，只是择优取向随着负偏压的不同而有所不同。当负偏压为80V时，TaN薄膜的硬度和弹性模量均达到最大值，分别为30.103GPa和317.048GPa，并且此时薄膜的膜/基结合力也是最优。常温下单层TaN薄膜的摩擦系数与负偏压关系不大，基本保持在0.64-0.68之间。高温下，随着温度的升高，摩擦系数逐渐降低。对不同温度下形成的磨痕进行形貌和相组成分析，讨论了薄膜的磨损形式和摩擦系数存在差异的原因；对不同氮气流量下制备的TaN薄膜的研究表明：随着Ar:N2从10:1增加到10:15，TaN薄膜的微结构从多相向单相转变，力学性能在10:3~10:5范围内较优。对一系列不同V含量的TaVN复合膜的研究表明：单层TaN薄膜呈面心立方TaN及底心斜方Ta4N组成的混合结构，沿面心立方（200）择优。TaVN薄膜则呈现面心立方结构，随着V含量的增加各衍射峰整体向大角度方向偏移，择优取向逐渐由面心立方（200）转变为面心立方（111）；TaVN薄膜的显微硬度随着V含量增加，先增加后降低，在V含量为18.25at%时，显微硬度达到最大值，为32.3GPa；在常温下，TaVN复合膜的摩擦系数随着V含量的增加而降低；当温度从室温升高到800℃，薄膜的摩擦系数先升高后降低。采用晶体化学理论讨论了TaVN复合膜和TaN单层膜在高温下的摩擦性能。对一系列不同Mo含量的TaMoN复合膜的研究表明：TaMoN复合膜的微结构是由面心立方、密排六方与底心斜方组成的多相结构；TaMoN复合膜的硬度比TaN单层膜的硬度高，主要是因为固溶强化；Mo元素的添加可以有效改善TaN薄膜在常温和高温下的摩擦性能，通过对磨痕的分析，详细解释了TaMoN复合膜具有优异的减摩性能的原因。对不同调制周期的TaN/VN多层膜的研究表明：TaN/VN多层膜的微结构随着调制周期的变化而变化，当调制周期较小（0.67~3nm）时，TaN/VN多层膜为面心立方结构；当调制周期较大（6~24nm）时，TaN/VN多层膜为面心立方与密排六方共存的混合结构；TaN/VN多层膜的硬度和弹性模量在调制周期为0.67nm时最大，分别为31.8和410.3GPa；其中硬度比按照混合法则计算得出的理论值高出11GPa；随着调制周期的增加，硬度逐渐降低；TaN/VN多层膜的摩擦系数随着调制周期的增加而降低；较低的摩擦系数和一定的韧性，使得TaN/VN多层膜的耐磨性能优于TaN和VN单层膜；在调制周期为24nm时，由于磨痕中生成了具有自润滑效应的V2O5相以及较优的韧性，从而使此时的薄膜具有最低的摩擦系数和磨损率。