调制周期对ZrB_2/WNx纳米多层膜的机械性能和结构的影响

本文利用高真空离子束辅助沉积系统(IBAD)在室温下制备了ZrB2、WNx和一系列ZrB2/WNx纳米多层膜,利用XRD、SEM、XP-2台阶仪、纳米力学测试系统表征了薄膜的微结构和机械性能,分析了调制周期对薄膜结构与机械性能的影响。结果表明:ZrB2具有典型的六角相及WNx为六方与立方混合相结构,ZrB2/WNx的多层膜则呈现多晶结构。所有多层膜的纳米硬度与弹性模量值都高于两种个体单层膜材料值。当调制周期Λ=9.6 nm,轰击能量为200 eV时,ZrB2/WNx的多层膜显示出最高的硬度(30.2 GPa)和弹性模量,内应力和划痕测试等机械性能也取得较好的结果。

磁控溅射参数对ZrB_2/ZrAlN纳米多层膜结构和性能的影响

选择ZrB2和ZrAlN作为个体层材料,利用超高真空射频磁控溅射系统在80 nm调制周期下,制备了一系列ZrB2/ZrAlN纳米多层膜,用XRD、表面轮廓仪和纳米力学测试系统分析了物相及晶体结构.研究表明:纳米多层膜体系的各项性能随着Ar/N2流量比例的变化而变化,多层膜的纳米硬度值和弹性模量均高于两种个体材料混合相的硬度值,残余应力也得到缓解,合适的N2气分压可以使多层膜体系的机械性能达到最佳.

ZrC/ZrB_2纳米多层膜的结构和机械性能研究

选择ZrC和ZrB2作为个体层材料,利用超高真空射频磁控溅射系统,在室温条件下制备了ZrC,ZrB2及一系列具有纳米尺寸的ZrC/ZrB2多层薄膜.通过XRD,SEM和表面轮廓仪以及纳米力学测试系统,分析了调制周期和工作气压对多层膜生长结构和力学性能的影响.结果表明:多层膜的界面清晰,调制周期性较好,大部分多层膜的纳米硬度和弹性模量值都高于两种个体材料混合相的值,在调制周期为27.5 nm,气压为0.8 Pa时,多层膜体系的硬度、应力以及弹性模量值均达到最佳,多层膜机械性能改善明显与其调制层结构和工作气压相关.

ZrC/ZrB_2纳米多层膜的微结构和耐磨性

采用射频磁控溅射方法在Si(100)基底上制备了一系列ZrC/ZrB2纳米多层膜和ZrC,ZrB2单层薄膜.通过扫描电子显微镜(SEM),MS-T3000摩擦磨损仪及表面轮廓仪(XP-2)研究了薄膜的微结构和耐磨性.结果表明,多层膜的界面清晰,调制周期性好,周期为3.52 nm的多层膜摩擦系数最小,约为0.24;ZrC/ZrB2纳米多层膜的耐磨性优于ZrC和ZrB2单层薄膜;ZrC/ZrB2多层膜耐磨性提高的主要原因是,调制结构中大量界面的存在,提高了薄膜的韧性,从而增强了薄膜的耐磨性能.

ZrC/ZrB2纳米多层膜的微观结构与机械性能的研究

选择ZrC和ZrB2为个体层材料,利用射频磁控溅射系统在室温下制备具有纳米尺寸的ZrC/ZrB2多层膜.通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、俄歇电子能谱、表面轮廓仪及纳米力学测试系统研究了调制周期与ZrC,ZrB2单层厚度比例(tZrC:tZrB2)对多层膜生长结构和力学性能的影响.结果表明,多层膜的界面清晰,调制周期性好,大部分多层膜的纳米硬度和弹性模量值都高于两种个体材混合相的值,在调制比例tZrC:tZrB2=1:1.7、调制周期为32 nm时,薄膜显示出很强的ZrC(111)择优趋向和较弱的ZrB2(001)及ZrB2(002)结构,同时产生硬度异常升高的超硬效应,其硬度达到42 GPa.多层膜的机械性能改善明显与其调制结构和多晶结构有着直接的联系.

工作气压和基底偏压对ZrB_2/AlN纳米多层膜结构和机械性能的影响

利用射频磁控溅射技术在不同工作气压和不同基底偏压条件下在Si(100)基底上设计合成了ZrB2/AlN纳米多层膜。利用X射线衍射、扫描电子显微镜、纳米力学测试系统和表面轮廓仪分析了工作气压和基底偏压对薄膜的微结构和机械性能的影响。结果表明:大部分ZrB2/AlN多层膜的纳米硬度与弹性模量值高于两种个体材料的混合值。当工作气压为0.4Pa,基底偏压为-60 V时,制备的薄膜具有最高的硬度(36.8 GPa)、最高的弹性模量(488.7 GPa)和最高的临界载荷(43.6 mN)。基底偏压的升高和工作气压的降低会使沉积粒子的动能提高,引起薄膜表面原子迁移率提高,导致薄膜的原子密度提高,起到位错钉扎的作用,晶粒尺度也被限制在纳米尺度,这些均对提高薄膜的硬度和抗裂强度起到了作用。

射频磁控溅射沉积Al/Al_2O_3纳米多层膜的结构及性能

运用射频磁控溅射技术在Si（100）基片及40Cr钢基体上制备了调制周期λ=60 nm,调制比η=0.25~3的Al/A12O3纳米多层膜。通过X射线衍射、X射线光电子能谱、扫描电镜、原子力显微镜、维氏显微硬度仪及MFT-4000多功能材料表面性能测试仪对多层膜的结构、硬度、膜基结合强度及摩擦性能进行了研究。结果表明：Al/A12O3多层膜中Al层呈现（111）择优取向,A12O3层以非晶形式存在,多层膜呈现良好的调制结构。薄膜与衬底之间的结合强度较高,均在40 N左右,摩擦系数均低于衬底的摩擦系数,表明Al/A12O3多层膜具有一定的减摩作用。η=0.25的Al/A12O3多层膜具有最高的硬度值（16.1GPa）,摩擦系数最低（0.21）,耐磨性能最好。

掺杂Cu(OH)_2纳米微粒聚电解质多层膜的摩擦磨损行为研究

采用分子沉积技术在石英和单晶硅基底上交替吸附带相反电荷的聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)和聚对苯乙烯磺酸钠(PSS)制备出初始聚电解质多层膜,在聚电解质多层膜上吸附Cu2+且与磺酸根键合于碱性溶液中水解,在聚电解质内原位生成Cu(OH)2纳米微粒,通过多次吸附-水解循环原位生成掺杂Cu(OH)2纳米微粒聚电解质多层膜.采用紫外可见吸收光谱、原子力显微镜及透射电子显微镜分析原位生成Cu(OH)2纳米微粒前后多层膜的结构与形貌,采用LKDM-2000型摩擦磨损试验机评价多层膜的摩擦磨损性能.结果表明:与初始多层膜相比,含Cu(OH)2纳米微粒聚电解质多层膜的摩擦系数有所提高,且随法向载荷的增加变化较平稳;聚电解质多层膜表现出较好的耐磨性,这是由于聚电解质多层膜内的纳米微粒提高了承载能力;薄膜的磨损机理主要为粘着磨损,由于纳米微粒的存在,可以减轻其塑性变形和粘着磨损.

调制周期对TiB_2/TiAlN纳米多层膜机械性能的影响

利用射频磁控溅射技术,在室温下合成了具有纳米调制周期的TiB2/TiAlN多层膜。分别采用表面轮廓仪、纳米力学测试系统、多功能材料表面性能实验仪和XRD,分析了调制周期对TiB2/TiAlN纳米多层膜机械性能的影响。结果表明:大部分多层膜的纳米硬度和弹性模量值都高于两种个体材料混合相的值,在调制周期为25nm时,多层膜体系的硬度超过了36GPa,性能达到较佳效果。

TiB_2/Si_3N_4纳米多层膜的制备及其结构和性能分析

利用超高真空离子束辅助沉积(IBAD)系统,在225℃条件下,制备一系列TiB2/Si3N4纳米多层膜,通过X射线衍射(XRD)仪、表面轮廓仪、原子力显微镜(AFM)和纳米力学测试系统分析该体系合成中调制比对多层膜结构和机械性能的影响.结果表明:一定条件下制备的多层膜其纳米硬度值高于两种个体材料混合相的硬度值;当调制比为15∶1,调制周期为(13±1)nm时,结晶出现多元化,多层膜体系的硬度、应力、弹性模量和膜基结合性能均达到最佳.多层膜机械性能的明显改善与其多层结构和多晶结构存在直接联系.实验证明通过选择合适的个体层材料、厚度以及调制比等条件,制备具有高硬度、低应力和良好膜基结合力的纳米多层膜是可以实现的.

SiO_2层晶化对TiN/SiO_2纳米多层膜结构和性能的影响

采用多靶磁控溅射法制备了一系列具有不同SiO2调制层厚的TiN/SiO2纳米多层膜.利用X射线衍射,X射线能量色散谱、扫描电子显微镜、高分辨电子显微镜和微力学探针表征和研究了多层膜的生长结构和力学性能.结果表明,具有适当厚度(0.45-0.9nm)的SiO2调制层,在溅射条件下通常为非晶态,在TiN层的模板作用下晶化并与TiN层共格外延生长,形成具有强烈(111)织构的超晶格柱状晶多层膜;与此相应,纳米多层膜产生了硬度和弹性模量异常增高的超硬效应(最高硬度达45GPa).随着SiO2层厚度的继续增加,SiO2层转变为非晶态,阻断了多层膜的共格外延生长,使纳米多层膜形成非晶SiO2层和纳米晶TiN层的多层结构,多层膜的硬度和弹性模量逐渐下降.

ZrN/W_2N纳米多层膜的调制比对其性能的影响

利用射频磁控溅射系统制备了调制周期为30 nm的具有不同调制比例的ZrN/W2N纳米多层膜。研究表明:ZrN/W2N纳米多层膜的界面清晰,通过把ZrN周期性地插入到W2N层,多层薄膜的整体应力得到缓解。在调制比tZrN∶tW2N=2∶3时,纳米多层膜的应力值最小。多层膜的硬度和弹性模量基本高于ZrN和W2N单层材料的平均值,随着调制比的减小,它们的值均有上升趋势,并在tZrN∶tW2N=2∶3时分别达到最高值34 GPa和424 GPa,同时多层膜的膜基结合强度也达到最佳效果,其临界载荷超过了100 mN。多层膜的机械性能改善明显与其调制层结构和多晶结构有着直接的联系。

调制比对TiB_2/TiAlN纳米多层膜结构和机械性能的影响

利用射频磁控溅射技术在室温下合成了具有纳米调制周期的TiB2/TiAlN多层膜.分别采用X射线衍射仪(XRD)、表面轮廓仪、纳米力学测试系统和多功能材料表面性能实验仪分析了调制比对TiB2/TiAlN纳米多层膜结构和机械性能的影响.结果表明:大部分多层膜的纳米硬度和弹性模量值均高于两种个体材料混合相的值,在调制比为tTiB2∶tTiAlN=5∶2时,多层膜体系的硬度超过36GPa,其他机械性能也达到较佳效果.

CrAlN/WS_2纳米多层膜的微观结构和力学性能研究

采用反应磁控溅射工艺在Si基体上沉积了不同调制周期的CrAlN/WS2纳米多层膜,采用X射线衍射仪（XRD）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）、纳米压痕仪和HSR-2M涂层摩擦磨损试验机、扫描电子显微镜（SEM）,研究了调制周期对CrAlN/WS2纳米多层膜微观结构和力学性能的影响。研究结果表明,WS2层厚度低于0.8nm时,六方结构的WS2在CrAlN的模板作用下转变为B1-NaCl型面心立方结构并与CrAlN层发生共格外延生长,使薄膜得到强化,在WS2层厚度为0.8nm时,薄膜硬度和弹性模量达到最大,分别为37.3和341.2GPa。随着WS2层厚度的进一步增加,WS2又转变回六方结构,使薄膜共格外延生长结构破坏,结晶度降低,耐磨性增强,硬度和弹性模量减小。CrAlN/WS2纳米多层膜的摩擦系数均在0.2-0.3之间,远低于单层CrAlN的摩擦系数的0.6,磨损率亦明显减小。获得了综合力学性能优异的CrAlN/WS2纳米多层膜。

调制周期对ReB_2/TaN纳米多层膜的结构和力学性能影响

利用射频磁控溅射方法(衬底温度20℃)制备TaN,ReB2单层膜及ReB2/TaN纳米多层膜,并通过XRD,SEM,XP-2表面轮廓仪及纳米力学测试系统对薄膜的微结构和力学性能进行表征,分析调制周期对其影响。结果表明:TaN和ReB2均具有典型的六方结构,在其构成的多层膜中,当调制周期达到8～12nm附近时,纳米多层膜的硬度和弹性模量均高于两种材料所构成单层膜的相应值。在Λ=9.6nm,多层膜达到最高硬度(28.8GPa)及弹性模量(345.9GPa),同时内应力取得较好结果。

AlN/SiO_2纳米多层膜的超硬效应与高温抗氧化性

采用反应磁控溅射法制备了一系列不同SiO_2层厚的AlN/SiO_2纳米多层膜,利用X射线衍射仪、高分辨透射电子显微镜、扫描电子显微镜和微力学探针表征了多层膜的微结构和力学性能,研究了多层膜微结构与力学性能随SiO_2层厚的变化,考察了AlN/SiO_2纳米多层膜的高温抗氧化性.结果表明,受AlN层晶体结构的模板作用,溅射条件下以非晶态存在的SiO_2层在厚度<0.6nm时被强制晶化为与AlN相同的六方结构赝晶体,并与AlN形成共格外延生长结构,多层膜相应产生硬度升高的超硬效应.SiO_2随自身层厚的进一步增加又转变为以非晶态生长,致使多层膜的外延生长结构受到破坏,其硬度也随之降低.高温退火研究表明,高硬度的AlN/SiO_2纳米多层膜的抗氧化温度为800℃,与AlN单层膜相当.SiO_2层的加入尽管能使多层膜获得较高硬度,但是并不能提高其抗氧化温度.

磁控溅射沉积TiB_2/DLC纳米多层膜的结构及其机械性能研究

采用非平衡磁控溅射系统在P(100)硅片和304不锈钢基底上制备TiB_2/DLC纳米多层膜。利用FESEM、TEM、XRD和AFM观察多层膜的微观结构和表面形貌;利用纳米压痕仪、维氏硬度计和CSM球-盘摩擦磨损试验机考察TiB_2靶电流对多层膜的机械性能和摩擦学性能的影响。结果表明:TiB_2/DLC多层膜具有良好的多层调制结构,多层膜沿TiB_2(101)晶向择优生长;多层膜的表面粗糙度随着TiB_2靶电流增加而增加;多层膜中的大量异质界面能显著提高薄膜的硬度及韧性,而且当TiB_2靶电流为2.0 A时,多层膜的硬度约为单层DLC薄膜的两倍;多层膜中具有硬质TiB_2层和软质DLC层的交替结构,在摩擦过程中,硬层TiB_2起到良好的承载作用,软层DLC起到良好的润滑作用,使多层膜具有比单层DLC薄膜更低的摩擦因数。