Cu含量对脉冲偏压电弧离子镀TiN-Cu纳米复合薄膜硬度的影响

用脉冲偏压电弧离子镀技术在高速钢(HSS)基体上制备了一系列不同Cu含量的TiN-Cu纳米复合薄膜,用EPMA、SEM、GIXRD和纳米压痕等方法分别测试了薄膜的成分、形貌、相组成、硬度和弹性模量,重点考察薄膜成分对其硬度和弹性模量的影响。结果表明,Cu含量对薄膜的硬度和弹性模量影响显著,随着Cu含量的增加,薄膜硬度和弹性模量先增大后减小,在Cu含量为1.28 at%时,硬度和弹性模量达到最大值,分别为45.0 GPa和562.0 GPa。最后对TiN-Cu纳米复合薄膜的非晶-纳米晶强化机制进行了讨论。

Cu含量对TiN-Cu纳米复合膜结构与性能的影响

为研究纳米复合膜超硬机理和促进其商业应用,利用电弧离子镀制备了Ti N-Cu纳米复合膜,并对其表面形貌、晶体结构、能谱、XPS谱和硬度进行研究.结果表明:沉积膜仅含有Ti N相和少量的Ti相,Ti N相晶粒尺寸随薄膜Cu含量的增加而逐渐减小;尽管有的沉积膜中Cu原子数分数高达8.99%,但仍没有发现金属Cu相或Cu的化合物相衍射峰;沉积膜中Cu元素以金属Cu的状态存在,Ti主要以Ti N相存在,少量以金属Ti相存在,但没有Ti2N相;薄膜生长过程中,Cu、Ti和N共沉积,竞争生长,Cu的加入抑制了Ti N晶粒的长大;沉积膜的硬度随Cu含量增加而增加,达到最大值后下降,薄膜硬度随Cu含量变化与薄膜中Ti N相或Cu相尺寸有关.

多弧离子镀TiN/Cu纳米复合多层膜致硬机理的探讨

采用多弧离子镀技术制备单一的TiN薄膜和TiN/Cu纳米复合多层膜,研究了复合膜的硬度变化及相组成,初步探讨了TiN/Cu纳米复合多层膜的致硬机理。实验结果表明,Cu元素的掺入阻碍了TiN的生长,使复合膜硬度有了显著提高,制得硬度高达51GPa的TiN/Cu复合多层膜,其TiN以(111)和(200)两个晶面择优生长,且衍射峰强度极为接近,(200)面略高于(111)面。

脉冲偏压对离子束辅助电弧离子镀TiN/Cu纳米复合膜结构及硬度的影响

采用离子束辅助电弧离子镀技术在高速钢基体上制备TiN/Cu纳米复合薄膜,考察了基体脉冲负偏压对薄膜成分、结构及硬度的影响。用X射线光电子谱、X射线衍射、扫描电镜、透射电镜和纳米压痕等方法分别测试了薄膜的化学成分、结构、表面形貌、硬度以及弹性模量。结果表明,在氮离子束的轰击作用下,随着脉冲偏压幅值从-100 V增加到-900 V时,薄膜中Cu含量先增加而后略有降低,在1.05%-2.50%（原子比）范围内变化。同时,脉冲偏压对薄膜的结构也有明显影响,在-100 V出现TiN（111）择优取向,当基体偏压增加到-300 V以上时,择优取向改变为TiN（220）择优。薄膜的Cu2p峰均对应纯金属Cu,薄膜的晶粒尺寸约在11-17 nm范围内变化。硬度和弹性模量随着偏压幅值增加而增大,当偏压为-900 V时,薄膜硬度和弹性模量达到最大值,分别为29.92 GPa,476 GPa,对应的铜含量为1.91%。

多弧离子镀制备TiN/Cu纳米复合超硬膜的工艺研究

采用多弧离子镀制备了TiN/Cu纳米复合膜,通过设计Cu靶的开启方案对涂层进行成分调节,运用正交试验找出了影响膜层硬度的主次因素,并对膜层的成分、结构和性能进行了研究。结果表明,N2分压和Cu元素的加入是影响膜层硬度的主要因素;Cu的加入抑制了TiN晶粒的生长,且随着Cu含量的增加,TiN晶粒逐渐变小,并由柱状晶转变为等轴纳米晶;当Cu含量达到1.4 at%时,制备的纳米复合膜具有47.4 GPa的超高硬度。

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。

有效介质近似在Cu-MgF_2复合纳米颗粒薄膜光学性质中的适用性研究

采用射频磁控共溅射技术制备了Cu体积分数分别为15％和30％的Cu—MgF2复合纳米颗粒薄膜。透射电镜形貌图像表明，薄膜由不同形状的Cu晶态纳米微粒镶嵌于主要为非晶态的MgF2陶瓷基体中构成。用椭偏光谱技术计算得到Cu—MgF2复合薄膜在270-830nm波段的光学常数谱。用考虑颗粒形状效应的有效介质近似计算得到Cu—MgF2复合薄膜在相同波段的光学常数谱。谱相结合，分析讨论了Cu—MgF2复合薄膜的光学特性。把两样品的透射电镜形貌图像与光学常数理论谱、实验结果表明：去极化因子取值0．33的麦克斯韦-噶尼特（Maxwell-Garnett）模型可以较好地解释Cu体积分数为15％的Cu—MgF2复合薄膜的光学性质，而去极化因子取值0．6的布鲁格曼（Bruggeman）模型可以较好地解释Cu体积分数为30％的Cu—MgF2复合薄膜的光学性质。

轴对称磁场对电弧离子镀TiN-Cu纳米复合膜性能的影响

在电弧离子镀靶后端加入轴对称线圈磁场,制备了TiN-Cu纳米复合膜。观察线圈磁场强度对靶表面电弧斑点游动速率和弧柱形状的影响,及其对沉积薄膜的表面形貌、沉积速率、纳米压痕硬度和弹性模量的影响。结果表明,提高线圈磁场强度可提高电弧斑点的游动速率,进而降低靶表面金属液滴喷射几率,减小沉积薄膜中大颗粒的尺寸和数量。X射线衍射(XRD)谱显示,沉积薄膜只含有TiN相,未出现金属Cu或其化合物的衍射峰;薄膜呈现明显的(111)晶面择优取向。随着线圈磁场强度的提高薄膜沉积速率、压痕硬度和弹性模量先增加,达到最大值后又略有减少,其最大硬度和弹性模量分别达到35.46GPa和487.61GPa。

氮化钛涂层的摩擦磨损性能

本文介绍了摩擦与磨损的分类及形式,列举了Ti N薄膜、Ti NX纳米复合薄膜以及Ti N/X多层结构薄膜的力学性能,分析了其强化机理。结果表明:Ti N薄膜可显著改善基体表面的硬度,提升基体材料的抗磨损性能。Ti NX纳米复合薄膜以及Ti N/X多层结构薄膜可在Ti N薄膜的基础上,进一步提升基体材料的力学性能。

硅纳米孔柱阵列及其表面铜沉积

采用水热腐蚀技术制备了硅纳米孔柱阵列(siliconnanoporouspillararray,Si-NPA),并以此为衬底通过浸渍沉积制备出一种具有规则表面结构的铜/Si-NPA纳米复合薄膜(Cu/Si-NPA).形貌和结构分析表明,Si-NPA是一个典型的硅微米/纳米结构复合体系,它具有三个分明的结构层次,即微米尺度的硅柱所组成的规则阵列、硅柱表面密集分布的纳米孔洞以及组成孔壁的硅纳米单晶颗粒.研究发现,Cu/Si-NPA在形貌上保持了Si-NPA的柱状阵列特征,薄膜中铜纳米颗粒的致密度随样品表面微区几何特征在柱顶区域和柱间低谷区域的不同而交替变化,并形成一种准周期性结构.上述实验现象被认为来源于铜原子的沉积速度对Si-NPA表面微区几何特征的选择性.Si-NPA可以成为合成具有某些特殊图案、结构和功能的金属/硅纳米复合体系的理想模板.

Ti-Si-N复合膜的界面相研究

为了揭示Ti_Si_N复合膜中Si3N4界面相的存在方式及其对薄膜力学性能的影响,采用x射线衍射仪、高分辨透射电子显微镜、俄歇电子能谱仪和显微硬度仪对比研究了磁控溅射Ti_Si_N复合膜和TiN/Si3N4多层膜的微结构和力学性能.实验结果表明,Ti_Si_N复合膜均形成了Si3N4界面相包裹TiN纳米晶粒的微结构.其中低Si含量的Ti_Si_N复合膜中Si3N4界面相的厚度小于1nm,且以晶体态存在,薄膜呈现高硬度.而高Si含量的Ti_Si_N复合膜中的Si3N4界面相以非晶态存在,薄膜的硬度也相应降低.显然,Ti_Si_N复合膜中Si3N4界面相以晶体态形式存在是薄膜获得高硬度的重要微结构特征,其强化机制可能与多层膜的超硬效应是相同的.