Ti-Si-N纳米超硬膜的研究进展

随着现代工业对材料表面涂层的要求不断提高,Ti-Si-N膜以其独特的纳米复合结构、超硬性及其他优异的力学性能成为研究的热点。本文综述了Ti-Si-N纳米复合膜的制备工艺以及工艺参数对Ti-Si-N膜的微观结构与力学性能的影响。

Ti-Si-N复合膜的微结构及性能研究

为研究Si的加入及含量对薄膜结构和性能的影响，采用磁控反应溅射法制备了一系列不同Si含量的n—Si—N复合膜，采用XRD、微力学探针和SEM研究了薄膜的微结构、力学性能和抗氧化性。结果表明：随着Si含量的增加，薄膜晶粒尺寸减小，硬度升高，抗氧化性能提高。Si含量为4％-12％（原子数分数）时，晶粒尺寸随含量增加而急剧下降；当Si含量超过9％时，薄膜硬度处于峰值区；Si含量在7％以上时，薄膜具有较高的抗氧化能力。探讨了n-Si—N复合膜硬度升高和抗氧化能力提高的机理：

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。