自组织分层金属掺杂类金刚石薄膜的研究进展

近年来,研究学者发现在沉积过程中,某些金属元素掺杂类金刚石薄膜时能够形成一种特殊的自组织分层纳米结构,这种纳米结构克服了人为调控多层薄膜的工艺复杂性及局限性,同时赋予了薄膜更加优异的性能。主要综述了国内外对金属掺杂类金刚石薄膜中自组织分层结构的影响因素、形成机理等方面的研究现状。详细阐述了金属类型及含量、沉积条件(脉冲频率、基体偏压、气流比、沉积温度、沉积时间)、沉积方法等参数对自组织分层结构的生成及富金属层厚、富碳层厚、层数等尺寸的作用规律。重点介绍了离子重排机理、金属催化机理、强离子辐照诱导机理和靶中毒机理四种自组织分层结构形成机理的特点,并探讨了目前研究工作中存在的一些不足,如自组织分层结构的形成机理尚不清晰。上述四种机理模型均具有一定的局限性,且如何设计工艺参数实现自组织分层结构的内在调控仍是一个科学难点。针对这些问题,提出了自组织分层结构碳基薄膜的未来研究方向。     

基体负偏压对四面体非晶碳膜结构和性能的影响

采用自主研制的45°单弯曲磁过滤阴极电弧沉积系统于Si基体表面制备了四面体非晶碳(ta-C)膜,研究了基体负偏压对薄膜沉积速率、成分、力学性能及摩擦学性能的影响规律。结果表明,随基体负偏压升高,ta-C膜sp3键含量呈先增后减的变化趋势,在-50V时达到最大值(约64%);其硬度和弹性模量呈相似的变化规律,在-50V偏压下获得最大值(48.22GPa和388.52GPa)。ta-C薄膜的摩擦学性能与其sp3碳杂化键的含量密切相关,在-50V偏压下制备的薄膜具有最小平均摩擦因数值(0.10)。可见,采用单弯曲磁过滤阴极弧电弧制备ta-C薄膜的力学和摩擦学特性主要受薄膜中sp3键含量的制约。     

空气与C3H8含量对气体氧-氮-碳三元共渗化合物层结构的影响

以NH3、空气、C3H8与N2混合气体作为气源,采用两段式气体氧-氮-碳三元共渗方法,在580℃加热2h,随后降温至540℃继续加热1.5h,实现对S20C钢的表面强化.保持通入气体总流量、空气与C3H8添加比例不变,改变空气与C3H8的总含量,研究不同气氛组成处理后S20C钢表面渗层的厚度、形貌以及相结构变化趋势.结果表明,经过处理后的样品表面形成了具有良好耐摩擦、耐腐蚀性能的亮白色化合物层,该化合物层具有单一ε-Fe2-3(N,C)物相,其厚度随空气与C3H8的总含量的增加而增大.     

Ni-Al涂层对Ti-22Al-26Nb合金抗氧化性能的影响

采用爆炸喷涂技术在Ti-22Al-26Nb(原子分数，％)基体上制备了Ni-68．5Al(原子分数，％)合金涂层，涂层在退火后与基体结合良好．XRD分析表明，退火后涂层主要由β-NiAl以及少量Al3Ti和Al3Nb组成．研究了Ni—Al涂层对Ti-22Al-26Nb合金在800℃静态空气中氧化性能的影响．Ti-22Al-26Nb合金氧化后主要生成了疏松多孔的TiO2，其抗高温氧化性能很差．施加Ni—Al涂层后，高温下生成了一层致密的Al2O3，氧化动力学曲线满足抛物线规律，抗氧化性能显著提高．     

电弧离子镀沉积Cr-O-N活性扩散阻挡层

采用电弧离子镀技术在NiCoCrAlY涂层与高温合金基材DSM11间沉积不同成分的Cr-O—N薄膜作为扩散阻挡层，研究了900℃下氧化1400h后DSM11／Cr—O—N／NiCoCrAlY体系中Cr-O-N层阻挡合金元素互扩散的行为以及阻挡层对涂层氧化动力学曲线的影响．结果表明，Cr-O-N层在高温氧化过程中生成与涂层和基材有良好结合的富Al氧化物层，可以阻挡DSM11基体与NiCoCrAlY涂层间的元素互扩散，起到活性阻挡层的作用；Cr-O-N层中。和N含量影响生成富Al氧化物层的连续性和致密性，从而影响其阻挡元素互扩散的性能．几种成分的Cr-O-N活性扩散阻挡层对NiCoCrAlY涂层900℃下的高温氧化性能都有一定的改善作用，改善程度与阻挡层阻挡合金元素互扩散的程度保持一致．     

DSM11合金的NiCoCrAlY型防护涂层的研究

为了提高DSM11合金的使用寿命,采用电弧离子镀技术制备了Ni-20Co-20Cr-8Al-0.5Y、Ni-32Co-20Cr-8Al-0.5Y-1 Si-0.03B两种高温防护涂层,厚度为40～50μm.研究对比了这两种防护涂层的耐高温氧化和热腐蚀性能.     

自组织梯度分层结构金属掺杂类金刚石薄膜的制备及其性能研究

金属掺杂是降低类金刚石薄膜(DLC)内应力、提高其机械性能的一种有效方法。通常,金属掺杂类金刚石薄膜(Me-DLC)为均匀的纳米复合结构,但在一定条件下,会形成特殊的自组织分层结构。为了研究不同金属掺杂种类对自组织分层结构和薄膜性能的影响,本文筛选了两种典型的掺杂金属元素Cu和Cr,采用磁控溅射与阳极层离子源复合系统制备了Cu-DLC和Cr-DLC薄膜,同时使用等离子体发射光谱仪检测了沉积过程中金属粒子密度变化;通过能谱仪、辉光放电光谱仪、透射电镜、拉曼光谱仪、X射线光电子能谱仪等表征了薄膜成分和微结构;采用纳米压痕仪与摩擦磨损试验机考察了薄膜的力学和摩擦学性能。结果表明,在靶中毒模式下,溅射出的金属粒子密度逐渐降低,导致薄膜形成了自组织梯度分层结构,即膜基界面处为富金属层,表面为富碳层,沿膜基界面到表面金属含量从13%(原子比)以上逐渐降低至1%以下。Cu-DLC和CrDLC薄膜相似的表面碳键结构和力学性能,并且在干摩擦以及油润滑条件下分别表现出相似的摩擦学行为。以上研究表明自组织梯度分层结构的形成降低了金属种类对Me-DLC薄膜结构和性能的影响。     

热丝CVD大面积金刚石薄膜的生长动力学研究

在传统工业型热丝化学气相沉积（HFCVD）反应腔内，相关工艺参数取模拟计算优化值的条件下，采用XRD，SEM及Raman光谱等分析手段研究了单晶Si（100）上较大面积金刚石薄膜的动力学生长行为，讨论了晶格取向的变化规律。结果表明：优化工艺参数条件下，在模拟计算的衬底温度和气体温度分布均匀的区域内，沉积的金刚石薄膜虽存在一定的内应力，但整体薄膜连续、均匀，几何晶形良好，质量较高，生长速率达1．8μm／h。薄膜生长过程中晶形显露面受衬底温度和活性生长基团浓度的影响较大。     

直流磁控溅射和高功率脉冲磁控溅射TiSiN 涂层的结构与性能比较

目的 对比研究HiPIMS和DCMS技术对涂层组织、结构与性能的影响,为不同磁控溅射技术制备硬质涂层提供理论依据与实验指导。方法 在相同功率密度下,通过HiPIMS和DCMS技术分别制备 TiSiN 涂层。通过X射线衍射仪（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、扫描探针显微镜（SPM）表征涂层的结构和形貌,并通过纳米压痕仪、划痕仪、UMT-3摩擦磨损试验机、电化学工作站表征涂层的力学、摩擦学和耐腐蚀性能。结果 与DCMS制备的TiSiN涂层相比,HiPIMS技术所制备的涂层表面更加光滑,结构更为致密,硬度提高了10%,且应力降低了35%,呈低应力高硬度特征,涂层的韧性和结合力也明显提高,膜基结合力由DCMS涂层的40 N提高至50 N。同时,涂层的耐磨和耐腐蚀性能得到提升,摩擦系数降低了18%,腐蚀电流密降低了将近1个数量级。结论 与DCMS 相比,HiPIMS技术在制备TiSiN纳米复合涂层上具有显著优势,有效提高了涂层的综合使役性能。     

基体偏压对HiPIMS制备非晶碳膜结构和光电性能的影响

采用高功率脉冲磁控溅射(Hi PIMS)工艺在单晶硅和石英基体上沉积a-C膜,研究了基体偏压对其结构和光电性能的影响。结果表明,基体偏压的变化能显著改变薄膜的微观结构。在偏压为0~-300 V条件下制备的a-C膜,sp~2的含量均为(52.5±1.5)%,基本不变。偏压为-50 V时sp~2团簇的尺寸达到最大值(约1.93 nm),薄膜的光学带隙(0.15 e V)和电阻率(0.32Ω·cm)达到最小值;偏压继续提高则sp~2团簇的尺寸先减小后增加,光学带隙和电阻率先增加后减小,符合非晶碳膜的团簇模型。HiPIMS工艺制备的非晶碳薄膜,其sp~2团簇的尺寸决定了薄膜光学和电性学能。薄膜sp~2团簇尺寸越大,则光学带隙和电阻率越小。