CNx基纳米复合及多层薄膜的制备与机械性能

摘要

本文设计并采用直流磁控溅射技术，制备了无定形碳氮基的纳米复合薄膜(纳米晶粒镶嵌的碳氮基的TiCN薄膜)以及纳米多层结构薄膜(TaN/a-CNx纳米多层膜)，并对薄膜组织结构和机械性能的变化规律进行了系统的研究。
　　 1.在溅射气压不变的条件下改变氮气和氩气的流量比，通过磁控溅射Ti-C复合靶材，制备了不同组分和结构的TiCN纳米复合薄膜。通过XPS分析，发现随着氮气流量增加，薄膜中N含量增加，C含量降低，Ti含量几乎不变。结合XRD、XPS分析以及平面HRTEM的观察，发现未通入氮气时，薄膜组成为结晶度较高的TiC；通入氮气后，薄膜晶粒变为5-10 nm的TiN和Ti(C，N)，且随氮气流量的增大，薄膜中TiN和Ti(C，N)的比值有增大趋势。Raman分析表明氮气流量增加，薄膜中无定形碳含量增大。
　　 2.对TiCN薄膜的力学性能测试表明，通入30 sccm的氮气时，薄膜的硬度和弹性模量均最大，并且表现出最佳的抗裂纹扩展能力和摩擦磨损性能。
　　 3.采用磁控溅射在氮气和氩气气氛下交替溅射Ta靶和C靶，制备了调制周期为8.5-12 nm的TaN/a-CNx多层膜。a-CNx层厚度为0.5 nm的TaN/a-CNx多层膜虽然具有多层层状结构，但TaN的柱状生长模式仍然较明显。而厚度大于1 nm的a-CNx层能够促使TaN重结晶，有效抑制TaN的柱状生长方式并减小其晶粒尺寸。
　　 4.相比于单层TaN薄膜，TaN/a－CNx纳米多层膜具有较高的硬度。利用球-盘式摩擦磨损仪测试了2-11 N载荷下Ti6Al4V合金基底上TaN/a-CNx纳米多层膜的摩擦磨损性能。a-CNx层厚度为2 nm的TaN/a-CNx薄膜拥有最低的磨损率。