纳米复合超硬薄膜的研究现状

自1994年Veprek等人提出纳米复合超硬薄膜的概念以来,以其优异的力学性能和化学性能而成为当今材料科学领域的研究热点之一.本文将介绍纳米复合超硬薄膜的概念、设计思想、超硬机制、制备技术及工艺、性能和应用前景,及其发展趋势.

脉冲直流PCVD制备新型Ti-Si-C-N纳米复合超硬薄膜

用工业型脉冲直流等离子体化学气相沉积(PCVD)设备,在高速钢(W18Cr4V)基材表面沉积新型四元Ti-Si-C-N复合超硬薄膜。结果表明:Ti-Si-C-N薄膜是由面心立方结构的TiN和TiC纳米晶、Ti(C,N)固溶体及存在于晶界的非晶Si3N4和a-C组成,形成TiN/TiC/Ti(C,N)/a-C/a-Si3N4复相结构,这种复相结构存在着[111],[220]和[200]混合择优取向。SiCl4和CH4流量变化是影响薄膜相组成和硬度变化的主要工艺参数。随Si含量的增加,薄膜的显微硬度先升后降,表面形貌由致密的细颗粒状变为粗大的枝条状;C元素的加入能抑制柱状晶的形成,对硬度影响较小。

新型Ti-Si-C-N纳米复合超硬薄膜的高温热稳定性

用脉冲直流等离子体辅助化学气相沉积(PCVD)方法在高速钢基体上沉积出新型Ti-Si-C-N超硬薄膜,Ti-Si-C-N薄膜为纳米晶／非晶复合结构(nc-Ti(C,N)／a-Si_3N_4／a-C—C),当薄膜中Si和C含量较高时,Ti(C,N)转变为TiC,晶粒尺寸减小到2—4 nm,薄膜晶粒尺寸和硬度的高温热稳定性均随沉积态薄膜中的原始晶粒尺寸减小而提高,当原始晶粒尺寸在8—10 nm之间时,晶粒尺寸和硬度热稳定性可达900℃；当原始晶粒尺寸在2—4 nm之间时,晶粒尺寸和硬度热稳定性可达1000℃,薄膜硬度和晶粒尺寸表现出同步的高温热稳定性,分析认为由调幅分解形成的纳米复合结构中的非晶相强烈地抑制晶界滑移与晶粒长大,从而使Ti-Si-C-N薄膜的热稳定性显著提高。

纳米晶Ti-Si-N超硬复合涂层的研究进展

本文对纳米晶Ti-Si-N超硬涂层材料国内外研究进展进行了系统的回顾,着重分析了制备方法(等离子增强化学气相沉积,等离子辅助化学气相沉积,直流磁控溅射和射频磁控溅射等)、工艺参数(沉积温度,进气比)和硅含量对Ti-Si-N微观结构、硬度、抗氧化性、耐腐蚀性和耐磨性的影响。在合适的工艺条件下,能获得硬度最高的纳米TiN晶体镶嵌在非晶态的Si3N4基体上的复合涂层(nc-TiN/a-Si3N4)。该涂层有良好的性能并将得到广泛的应用。

PCVD法制备的Ti-Si-C-N纳米复合超硬薄膜的高温氧化行为

用脉冲直流等离子体辅助化学气相沉积(PCVD)方法在高速钢基体上沉积出Ti-Si-C-N超硬薄膜．XRD,XPS及HRTEM等测试表明,薄膜由纳米晶/非晶复合结构组成(nc-Ti(C,N)/a-Si_3N_4/a-C-C或nc-Ti(C,N)/h-Si_3N_4/a- Si_3N4/a-C-C)．Ti(C,N)显示(200)晶面择优取向．高温氧化实验显示：随Ti含量降低和Si含量增大,Ti-Si-C-N薄膜的抗氧化温度逐步提高；当Ti含量为8．7%、Si含量为17．8%时,薄膜中出现少量晶化的密排六方结构的h-Si_3N_4,弥散分布在非晶基体中,薄膜抗氧化温度达到900℃．Ti-Si-C-N薄膜的氧化过程分为增重和失重两个阶段,进入失重阶段后薄膜很快失效．

超亲水/超疏水镍-纳米三氧化钨复合镀层的制备及特性分析

硬度高、寿命长、适用范围广的金属基自清洁表面的制备是国内外研究的热点和难点。以镍为金属基体,纳米三氧化钨(WO_3)作为功能性材料,采用复合电沉积法在金属基底上制备出超亲水或超疏水可选择的镍-纳米三氧化钨自清洁镀层。使用SEM、S-neox三维光学轮廓仪、EDS、接触角测量仪等测量其表面形貌特征、力学性能、表面润湿性及光催化性能。结果表明:WO_3质量分数为17%时的镍-纳米三氧化钨复合镀层表面呈现典型的微纳米分级结构特征和超亲水润湿特性,并具有光催化降解甲基橙溶液能力;经氟化处理,复合镀层由超亲水转变为超疏水,接触角高达156.5°;经电化学刻蚀-氟化处理,复合镀层的疏水能力更强,光催化性更好;制备的复合镀层具备超亲水或超疏水特性,具有硬度高、与金属基体结合力大、光催化降解有机物等更加优异的自清洁性能。

纳米多层膜和复合超硬涂层的研究进展

本文综述了近年来纳米多层膜和复合超硬涂层研究的最新进展,详述了纳米多层膜和复合超硬涂层的致硬机理和设计方法,分析了Ti/TiN、氮化物/氮化物多层膜和Ti-Si-N及Ti-Al-Si-N系复合膜的最新研究现状,指出了今后纳米多层膜和复合超硬涂层的研究方向.

磁控溅射Ti-Si-N纳米复合超硬膜的研究

传统的TiN膜具有硬度高、耐磨、耐腐蚀及其他优良的性能,在刀具、工磨具等已经有了广泛的应用。随着科技的发展,近年来许多科技工作者都企图采用多种方法来进一步改善TiN薄膜,其中包括添加Al,Si,C,B等合金元素至TiN膜中,以改善起组织结构和性能。自从S.Veprek首先报道采用CVD的方法制备Ti-Si-N纳米复合膜后,由于Ti-Si-N膜具有nc-TiN/a-Si_3N_4组织结构,即纳米尺寸的TiN嵌镶在非晶Si_3N_4基体中,Ti-Si-N类纳米复合超硬膜以其高硬度、耐磨性、优良的热稳定性和化学稳定性引起了人们的普遍关注。采用钛硅复合靶,通过控制反应磁控溅射的各工艺参数制得了一系列Ti-Si-N膜,并借助能谱仪(EDS)、X射线衍射(XRD)、纳米压入仪和划痕仪对膜层的成分、结构和力学性能进行了分析。结果发现,可方便地通过改变氮气分压的方法来调整Ti、Si元素含量比、微观组织结构及力学性能。少量氮气的加入能制得纳米硬度高达53GPa的Ti-Si-N超硬膜,而随着氢气分压的增加,膜层中TiN相和Si_3N_4相的比例减小,纳米硬度逐渐下降,同时,TiN晶粒的平均尺寸也逐渐减少。

纳米复合超硬薄膜的结构、性能表征

该文分别用直流、脉冲直流和微波等离子体辅助化学气相沉积(PCVD)技术得到了Ti—si—N、Ti—B—N及Ti—Al—si—N纳米复合超硬薄膜,结合微观分析和宏观性能表征,给出了它们的纳米结构特征及其与力学性能的关系,基于工业运用背景,探索了纳米复合薄膜的热稳定性。

NbSiN纳米复合膜的显微结构、超硬效应和机理的研究

采用NbSi复合靶,通过调节Nb与Si的比例,利用磁控溅射射频工艺,在单晶硅片上沉积不同Si含量的NbSiN纳米复合膜。利用X射线衍射仪、纳米压痕仪和高分辨透射电镜等,研究了Si含量对NbSiN纳米复合膜的微观结构和力学性能的影响。结果表明:随着薄膜中Si含量的增加,其结晶程度先升高,然后降低,硬度和弹性模量先增加后降低,当n(Si):n(Nb)=5:20时,NbSiN薄膜硬度和弹性模量均达到最大值33.6和297.2 GPa。微观组织观察表明,此时NbSiN薄膜内部形成Si_3N_4界面相包裹NbN纳米晶粒的纳米复合结构,Si_3N_4界面相呈结晶态协调相临NbN纳米晶粒间的位向差,并与NbN纳米晶粒之间形成共格外延生长,其微结构可用nc-NbN/c-Si_3N_4模型来表示,表明其超硬效应源于NbN基体相和Si_3N_4界面相之间形成的共格外延生长界面。

多弧离子镀制备TiN-Cu超硬纳米复合涂层的研究

采用多弧离子镀技术制备了TiN-Cu超硬纳米复合涂层,并对涂层断口形貌、相组成、择优取向、硬度等进行了测试分析。试验结果表明,用多弧离子镀技术的分层沉积和混合沉积方式都可以制备出硬度高达40.8 GPa以上的TiN-Cu超硬复合纳米涂层。涂层中TiN晶粒尺寸普遍<15 nm,达到了纳米晶水平,且涂层中的Cu含量、TiN择优取向等因素均对涂层硬度有重要影响。

避免超硬nc-(Al_(1-x)Ti_x)N/a-Si_3N_4纳米复合材料制成的(Al_(1-x)Ti_x)N涂层的高温分解

大约单层薄的非晶态氮化硅的组织,是在nc-(Al_(1-x)Ti_x)N/a-Si_3N_4超硬纳米复合涂层沉积过程中形成的,具有良好的结构与硬度。在温度低于1100℃时,能有效地避免fcc-(Al_(1-x)Ti_x)亚稳溶液的分解和软化,形成富钛fcc(Ti_(1-δ)Al_δ)N纤锌矿型h-(A l N)。如果没有氮化硅涂层,(Al_(1-x)Ti_x)N的软化和分解将会发生在800~900℃之间。

电弧增强磁控溅射制备的纳米复合Si-C-N超硬薄膜的结构与性能

耐磨、韧性好的超硬薄膜工程应用价值大。采用电弧增强磁控溅射(AEMS)技术在GCr15轴承钢表面制备了纳米复合Si-C-N超硬薄膜,研究了薄膜的形貌、相组成、硬度、韧性和摩擦磨损性能。结果表明:薄膜中纳米SiC与Si3N4晶体弥散分布于C-C,C=C以及N-C组成的非晶相基体中,形成了纳米晶/非晶复合组织结构,显著提高了薄膜的硬度和韧性,增强了薄膜的抗摩擦磨损性能;薄膜的硬度为(36.5±3.9)GPa,断裂韧性为(4.15±0.28)MPa.m1/2,稳定摩擦系数为0.27左右。

高耐蚀纳米镍加无裂纹微硬铬复合镀层电镀液及电镀工艺

申请号：CN201310465300．2：申请日：2013．09．30；公开（公告）号：CNl03451695A；公开（公告）日：2013．12．18：申请（专利权）人：烟台星辉航空液压机械有限公司。 该发明涉及高耐蚀纳米镍加无裂纹微硬铬复合电镀层生产工艺，属于电镀液及电镀层领域。

纳米Al_2O_3Ni梯度镀层的电镀工艺研究

在瓦特镀镍液中制备纳米Al2O3 Ni复合镀层,研究了阴极电流密度、纳米Al2O3加入量对镀层纳米Al2O3质量分数及镀层显微硬度的影响。采用恒电流电沉积工艺制备了纳米Al2O3 Ni梯度镀层,镀层显微硬度由内到外逐渐增加。磨损试验表明,在油润滑条件下,梯度镀层的耐磨性比普通复合镀层提高了150%。

电沉积nano-Al_2O_3/Ni+Co梯度复合镀层

采用电沉积方法以灰铸铁为基体制备了金属与纳米陶瓷复合镀层,基质金属为镍钴,第二相纳米陶瓷颗粒选用Al2O3。通过表面形态观察可知,由于纳米颗粒的高活性表面为沉积过程提供了大量的核心,使得复合镀层较金属镍钴镀层组织致密,晶粒细小。线扫描成分分析表明:镀层中纳米颗粒含量呈梯度分布。对其显微硬度进行测量,结果显示:复合镀层显微硬度由表层到里层呈梯度分布。耐磨性试验表明:复合镀层中Al2O3纳米颗粒产生的弥散强化效应和晶粒细化效应使复合镀层耐磨性显著优于纯镍钴镀层。对复合镀层和纯镍钴镀层磨损形貌的观察分析表明:复合镀层磨损表面出现沿摩擦副运动方向的犁沟,而纯镍钴镀层磨损表面呈现大片剥落,磨损机制为黏着磨损。

超硬耐磨的纳米级金刚石镀膜，用于多种材质模具镀层

滤质阴极真空镀膜简称FCVA技术是一种国际上先进的镀膜技术。利用滤质阴极真空镀膜(FCVA)技术生产的纳米级非晶金刚石薄膜最薄可以达到2纳米，金刚石结构SP3的含量超过80％。这样的薄膜具有天然金刚石的许多优异特性：它生成的薄膜具有超硬、耐磨、高绝缘、高导热率、摩擦系数低、膜层均匀、致密度高、耐腐蚀和附着力高等特点，薄膜还具有无色透明，对材质的光学特性基本不产生影响的优点。

离子束辅助沉积制备TiN／Si_3N_4纳米超硬膜的工艺研究

采用离子束辅助沉积法(Ion beam assisted deposition,IBAD)在单晶硅片上进行沉积制备了TiN／Si3N4 纳米复合超硬薄膜;研究了辅助束流、轰击能量和Ti:Si靶面积比等工艺参数对TiN／Si3N4超硬纳米复合薄膜性能的影响。此外采用纳米硬度计、光电子能谱(X-ray photoelectron spectrum,XPS)和X射线衍射分析(X-ray diffraction,XRD)方法研究了纳米复合薄膜的性能、成分与组织结构;采用原子力显微镜(Atomic force microscopy,AFM)分析了薄膜的表面形貌,并初步探讨了TiN／Si3N4纳米复合超硬薄膜的生长机理。