气相沉积立方氮化硼薄膜的研究与发展状况

简述了立方氮化硼的优异性能，国内外研究立方氮化硼薄膜的历史，现状，应用前景及存在的问题。     

立方氮化硼薄膜的制备与表征

在对国内外立方氮化硼薄膜的制备工艺及其表征方法进行了综述的基础上，分析了立方氮化硼膜制备中存在的问题，即薄膜的内应力高，结合强度低，沉积温度高，沉积速率低，沉积速率低，以及cBN中SP^3键含量不稳定。并提出了今后的研究方向：①cBN膜成核生长机理问题；②低温下大面积、高速生长的异质外延和定向生长问题；③膜基结合问题；④发展新的成膜技术，寻求无毒无污染的反应材料；⑤开发cBN膜的应用。     

负偏压对电弧离子镀复合TiAlN 薄膜的影响

采用电弧离子镀技术,以W18Cr4V高速钢为基体,调整基体负偏压,制得多个复合TiAlN薄膜试样,研究了基体负偏压对薄膜微观组织形貌、物相组成、晶格位向、硬度、厚度和沉积速率的影响。结果表明,过高或过低的负偏压会使得膜层表面不平整,显微硬度下降。当负偏压为200 V时,膜层的沉积速率最大;负偏压为150 V时,有利于薄膜(111)晶面的择优取向生长,且TiAlN膜的硬度最高。     

负偏压对多弧离子镀TiN薄膜的影响

采用不同偏压,在201不锈钢表面进行多弧离子镀TiN薄膜,研究了偏压对薄膜表面形貌、硬度、相结构及耐蚀性的影响.研究表明:薄膜表面存在着许多液滴颗粒,随着偏压的增加,液滴减少,但过大的偏压会使表面出现凹坑;薄膜的显微硬度随偏压的升高先增大后减小,偏压为-200 V时的本征硬度为2 195HV;在3.5％的NaCl溶液中...     

负偏压对低温沉积TiN薄膜表面性能的影响

研究了在低温磁控溅射沉积TiN薄膜过程中,负偏压对基体温度、薄膜表面性能、薄膜与基体界面结合强度以及摩擦学性能的影响.研究结果表明,加负偏压条件下,明显提高基体温度,有益于晶粒细化,提高硬度,改善色泽,提高TiN/基体的界面结合强度,但会引起表面轻微的粗糙化;摩擦学试验表明,负偏压对低温磁控溅射TiN薄膜及其摩擦副的摩擦磨损性能的影响较明显.     

多元铜基活性钎料对c-BN的润湿性与微观组织

采用座滴法试验研究了多元铜基活性钎料中Ti,Zr活性元素对c-BN润湿性的影响,借助于扫描电镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD),结合键参数理论分析探讨了多元铜基活性钎料的微观组织,发现钎料主要由Cu固溶体、富Sn相和少量金属间化合物组成.通过计算元素间化学亲和力大小,进一步阐述了多元铜基活性钎料中Ti,Zr活性元素对c-BN润湿性的影响机制.结果表明,多元铜基活性钎料中,添加Ti活性元素比Zr元素更容易润湿c-BN.     

宽带隙薄膜材料核化与生长机制及其性质的研究

宽带隙金刚石膜及立方氮化硼薄膜由于其优异的物理性质和低成本，在机械、电子、光学及军事工业等部门有广阔的应用前景。     

脉冲负偏压增强的高质量金刚石薄膜的沉积

由于直流偏压方法沉积金刚石薄膜易出现电荷积聚现象，从而影响了薄膜的均匀性。本文采用脉冲负偏压增强热丝化学气相沉积(HFCVD)法，以WC—Co硬质合金为衬底制备金刚石薄膜，探讨了在不同频率脉冲直流偏压(500∽5000Hz)T，脉冲偏压对金刚石薄膜的均匀性、致密性和晶粒度的影响，并且讨论了脉冲偏压作用的机理。对沉积的金刚石薄膜进行SEM、XRD和Raman分析。结果表明，采用500Hz脉冲偏压可获得高质量的金刚石薄膜，薄膜的晶粒度小，均匀性和致密性较好。     

脉冲偏压对TiAlCN薄膜结构与力学性能的影响

利用多弧离子镀-磁控溅射复合技术通过改变脉冲偏压在Si片与SS304基体表面制备了TiAlCN薄膜,研究了不同脉冲偏压对薄膜结构和力学性能的影响。薄膜成分、表面形貌、相结构及力学性能分别利用能量弥散X射线谱(EDS)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和纳米压痕仪等设备进行表征。结果表明,随着脉冲负偏压的增加,薄膜中Ti元素的含量先减小后增大,而Al元素有相反的变化趋势。适当增大脉冲偏压,薄膜表面颗粒、凹坑等缺陷得到明显改善。物相分析表明TiAlCN薄膜主要由(Ti,Al)(C,N)相,Ti4N3-x相和Ti3Al相组成。薄膜平均硬度与弹性模量随脉冲负偏压的增加先增大后减小,在负偏压-200 V时达到最大值分别为36.8 GPa和410 GPa。     

多弧离子镀负偏压对氮化钛薄膜的影响

目的确定适当的负偏压,提高多弧离子镀氮化钛薄膜的综合性能。方法采用不同的负偏压,在4Cr13不锈钢表面制备Ti N薄膜,探讨偏压对薄膜表面质量、结构、硬度、结合力和摩擦系数的影响。结果负偏压对薄膜表面质量的影响较大:负偏压为0 V时,Ti N薄膜表面凹凸不平,液滴较多;随着负偏压升高,薄膜表面变得光滑,液滴减少并变小,薄膜致密性也得到提高。在不同负偏压下,Ti N薄膜均呈现出在(111)晶面的择优取向,但随着负偏压的增大,这种择优取向逐渐减弱,当负偏压达到400 V时,薄膜在(220)晶面的峰值逐渐增强。随着负偏压从0增至400 V,薄膜的硬度、结合力和耐磨性均先提高,后降低。当负偏压为300 V时,薄膜的硬度和结合力达到最大,分别为2650HV和58 N;摩擦系数和磨损量最小,分别为0.48和0.1065 mm3。结论施加适当的负偏压可以提高薄膜的硬度、结合力、耐磨性等性能,当负偏压为300 V时,薄膜的各项性能达到最佳。     

Effect of post-N+ implantation on the microstructure of the interfacial non-cubic BN layers

Plasma source ion implantation has been applied as a post treatment in order to modify the interfacial sp² bonded layer of the cubic BN (cBN) films. The effect of ion irradiation on the microstructure of the noncubic BN layer was investigated. From HRTEM observation, the thickness of the BN layer of the representative sample was about 100 nm including 15 nm of initially grown non-cubic layer at the interface between a substrate and the cubic layer. At optimal plasma source implantation conditions, an acceleration voltage of 50 keV and an ion dose of 2×10¹⁶ ions/cm², the microstructure of the interfacial non-cubic BN layer was changed. It was noticed that the ion irradiation caused the recrystallization of the amorphous phase and transformed the small crystallites into another phase. The micro-hardness of the complex consisting of a hard and soft layer increased as a result of phase transformations. This was caused by atomic displacements in the initially grown amorphous and hexagonal layers. The atomic displacements calculated by the TAMIX code were in the range of 0.31–0.52 nm per atom within 70–100 nm in depth.     

用B2O3和B与Li3N反应合成CBN

本文研究了在高温高压下B2O3和B分别与Li3N的反应,并对反应生成物进行了X射线衍射分析与红外光谱表征.结果表明当反应条件达到4.0 GPa-1400℃和4.5 GPa-1450℃时,两体系中有CBN生成,低于此条件时BN只以hBN形式生成.上述反应条件低于传统的hBN-Li3N体系合成CBN时Li3BN2与hBN的共融条件5.5 GPa-1610℃.讨论和分析了两种体系中CBN晶体的生长特点,发现反应物熔点低有利于上述反应的发生.在高温高压下利用独立的含B和含N的单质或化合物间的化学反应制备CBN是应该积极探索的合成途径.     

低温微晶玻璃结合剂结构和性能的研究

采用石英、无水碳酸钠、无水碳酸钾、无水碳酸钙、氟化钙作为基础原料,在此基础上分别添加5%、8%、11%、14% H3BO3(质量分数)做为外加成分.高温熔炼成玻璃,淬冷后球磨成玻璃粉,通过烧结法制备了用于cBN砂轮的微晶玻璃结合剂.通过XRD、SEM分析,结果表明:在720℃晶化2h后,在CaF2晶体的基础上析出了硅碱...     

活性元素Ti在CBN与钎料结合界面的特征

通过扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪研究了Ag-Cu-Ti钎料中的活性元素Ti在钎料与立方氮化硼（CBN）磨粒高温钎焊结合界面的扩散现象，并运用动力学分析对界面反应层的生长过程及反应激活能进行了探讨。结果表明：钎焊过程中，钎料中的活性元素Ti明显向磨粒侧扩散偏聚并发生化学反应，实现了磨粒与基体材料的牢固结合；钎焊CBN磨粒表面生成的TiB2和TiN化合物形貌接近平衡状态下生长的理想形貌；界面反应层在钎焊温度1153K～1193K，保温时间5min～20min之间依据抛物线生长法则所得扩散激活能值表明其生长过程主要受新生TiN影响。     

BN对AlN耐火材料烧结性能及抗钛熔体侵蚀性能的影响

以新型耐火材料AlN为基体,添加不同含量的高活性h-BN及烧结助剂Y2O3,在1850 ℃保温4 h下无压烧结制备出无氧、易加工的AlN/BN耐火复合陶瓷,分析了该复合陶瓷的显微组织,研究了其与TiAl熔体的界面润湿规律及界面反应。结果表明,BN颗粒的加入可以有效填充AlN颗粒间隙,促进复合陶瓷的烧结致密化,当添加5 wt% BN颗粒时,复合陶瓷致密度达到最高,为89.24%。复合陶瓷的组织由AlN、BN及钇铝酸盐Y4Al2O9组成,其中Y4Al2O9主要分布在AlN颗粒界面处。BN颗粒可以降低复合陶瓷与TiAl熔体的界面润湿性,其中含5 wt% BN的复合陶瓷与TiAl熔体的界面润湿角约为136°,表明二者润湿较差,复合陶瓷表现出良好的化学惰性。界面反应实验发现复合陶瓷具有良好的抗TiAl熔体侵蚀性能,其与TiAl熔体的界面平整清晰,界面层厚度为9.5 μm,未发生明显元素扩散,表明了AlN/BN复合陶瓷是一种极具潜力的钛合金熔炼用耐火材料。     

Al添加量对PcBN复合片显微结构和性能的影响

将cBN微粉添加体积分数为5%、10%、15%、20%的Al粉进行高温高压烧结制备出PcBN复合片。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜分析PcBN复合片的物相组成和显微结构,并研究其磨耗比和抗冲击性能。结果表明,PcBN层主要由cBN晶粒和AlN组成。随着Al粉添加量的增加,AlN的体积分数逐步增加,PcBN复合片的性能也发生相应变化。Al粉添加量为体积分数10%时,PcBN复合片的磨耗比为21 842,冲击次数超过100次,综合性能最好。     

初始材料中Al含量对CBN复合片烧结行为的影响

探索了以Al作为烧结助剂,压力为5.0 GPa,烧结温度在1 400℃情况下,初始材料中Al的含量对CBN复合片中反应机理和机械性能的影响。通过对CBN基复合片的硬度、微观形貌以及物相的分析,发现CBN和Al的反应、以及CBN复合片的机械性能严重依赖于初始材料中A l的含量。除次之外,本文首次采用晶格常数精确计算来分析了化学反应中B原子去向。实验结果表明:当初始混合粉末中Al的含量不超过15%时,复合片的微观结构都比较均匀,硬度都超过30 GPa。含15%A l的样品具有最好的切削性能。     

钎焊立方氮化硼BCu80Ni5SnTi活性钎料的组织与性能

研制一种适合钎焊立方氮化硼与45钢异质材料的新型高温BCu80Ni5SnTi活性钎料,采用SEM、EDS及XRD对BCu80Ni5SnTi系活性钎料的微观组织及钎焊接头力学性能进行研究.结果表明:适合钎焊c-BN的活性钎料成分为Cu78～81Ni5～6Sn3～5.5Ti10～12(质量分数,%),固相线温度为858.4 ℃,液相线温度为874.8℃;钎料组织由α-Cu固溶体、Ni固溶体、Cu-Sn共晶及少量Cu_4Ti_3、Cu_3Ti_2、Cu_3Sn、CuSn和Ni_(17)Sn_3等化合物组成;该钎料对c-BN的润湿性较好,润湿角为28°～30°,钎焊c-BN与45钢的接头强度为210～230 MPa;新型钎料钎焊冶金特性较好,钎焊接头界面实现冶金结合.     

添加剂对Al2O3／BN可加工陶瓷性能的影响

采用Si3N4和SiC作为Al2O3／BN可加工陶瓷的添加剂，考察了添加剂种类和含量对材料力学性能及可加工性能的影响。研究表明，2种添加剂均对调节体系中由于热膨胀失配所引起的人的内应力起到积极的作用。材料的抗弯曲强度随添加剂含量的增加而提高，同时可加工性能略有降低。尤其是Si3N4的加入使体系在热压烧结过程中原位反应生成液相x-Sialon，显著降低了烧结温度，促进材料的致密化。