直流溅射沉积CrN薄膜组织结构与摩擦性能分析研究

采用直流反应溅射在304不锈钢表面沉积CrN薄膜。利用X射线衍射仪（XRD）,扫描电子显微镜（SEM）,原子力显微镜（AFM）,显微硬度计,磨损试验机与三维轮廓仪等表征氮气流量对CrN薄膜组织结构与摩擦性能的影响。研究结果表明,随着氮气流量的增加,CrN (200)晶面呈择优取向,薄膜的沉积速率随着氮气流量的增加逐渐降低。另外,薄膜的表面粗糙度随着氮气流量的增加呈先降低后增加的趋势。随着氮气流量从15 sccm增加至30 sccm时,薄膜的显微硬度先从527.34 HV增加至1042.26 HV,当氮气流量再增加至35 sccm时,薄膜的显微硬度却降低至918 HV。磨损试验表明,当氮气流量为30 sccm 时薄膜具有最小的摩擦系数0.93和磨损率2.02×10-15m3·(N·m)-1,显示最佳的磨损性能。     

氧含量对高功率脉冲磁控溅射AlCrSiON涂层高温摩擦学性能的影响

由于真空度的要求,制备氮化物涂层时将不可避免的会有氧的存在,因此了解氧元素对涂层性能的影响至关重要。采用高功率脉冲磁控溅射(HIPIMS)技术在Ar/N2/O2混合气氛下制备AlCrSiON涂层,研究氧含量(0%~30.4%,原子数分数)对涂层结构、力学性能和摩擦学性能的影响及作用机制。结果表明,AlCrSiN涂层由fcc-Cr N、β-Cr2N和hcp-Al N组成,AlCrSiON则由(Cr,Al)N、立方Cr2N和(Cr,Al)(O,N)组成。AlCrSiN涂层硬度为(14.3±1.8)GPa,随着氧含量增加至24.3%,涂层硬度增加至(20.1±3.0)GPa;继续增加氧含量则将导致涂层硬度下降。当环境温度由室温增加至400℃,涂层摩擦因数由0.6~0.7增加至0.9;温度升至800℃,涂层摩擦因数降至0.4。氧含量对涂层高温摩擦因数的影响较小,对涂层的磨损率却有着重要影响。当氧含量为30.4%时,AlCrSiON涂层具有最优耐磨损性能。     

低Si含量WSiN涂层的结构和摩擦学行为

利用反应磁控溅射法制备W₂N和WSiN涂层,利用XRD,SEM和AFM研究涂层的显微结构,利用纳米压痕仪测试涂层的力学性能,利用摩擦磨损仪表征涂层的摩擦磨损行为。结果表明,原子数分数2.4% Si掺杂没有引起W₂N涂层相结构和力学性能的明显变化,但降低了涂层的表面粗糙度（从10.56 nm到8.35 nm）。不锈钢基底、W₂N涂层、WSiN涂层与Al₂O₃对偶球的摩擦因数分别为0.62、0.42和0.35,对应的磨损率分别为4.2×10^-14、3.8×10^-16和3×10^-16 m³/N·m。不锈钢基底、W₂N涂层、WSiN涂层与GCr15对偶球的摩擦因数分别为0.56、0.47和0.49,对应的磨损率分别为5.9×10^-15、2.8×10^-16和3.2×10^-16 m³/N·m。在上述两种对偶球情况下,W₂N涂层、WSiN涂层均能够降低不锈钢的摩擦因数10%~40%和磨损率1~2个量级。W₂N涂层和WSiN涂层具有较好的润滑抗磨性,能给不锈钢基底提供防护作用,且WSiN涂层的防护效果更佳。     

环境温度对磁控溅射Ti-Al-Si-N涂层摩擦学性能的影响

目的探索磁控溅射制备的Ti-Al-Si-N涂层在不同环境温度下的摩擦学性能。方法利用磁控溅射技术,在AISI304不锈钢表面制备了Ti-Al-Si-N涂层,采用扫描电镜、能谱仪和X射线衍射仪研究了涂层的成分与微观结构,利用HT-1000型高温摩擦磨损试验机,以直径为5 mm的Al_2O_3球作为摩擦副,研究了Ti-Al-Si-N涂层在室温、200、400、600℃时的摩擦学性能。结果磁控溅射制得的Ti-Al-Si-N涂层表面平整、致密,具有典型的柱状晶结构;在室温、200、400、600℃的环境温度下,涂层的摩擦系数分别为0.6、0.35、0.25和0.2,磨损体积分别为0.319、0.232、0.0149和0.0136 mm~3。涂层的摩擦系数和磨损体积均随温度的升高而降低。结论随着测试温度的升高,磨痕区域生成越多的以氧化钛和氧化铝为主的氧化物,其具有一定的减摩作用。在室温下,涂层的磨损机理主要为疲劳剥落,200℃时为磨粒磨损,400℃时为磨粒磨损和氧化磨损,600℃时主要为氧化磨损。     

非对称双极脉冲磁控溅射沉积氮化铬铝涂层的微观结构和硬度

利用非对称双极脉冲磁控溅射技术,双极分别接纯铬靶和纯铝靶,通过调整两靶的功率,以反应溅射的方式沉积不同铬铝比的氮化铬铝涂层。研究不同Al含量的氮化铬铝涂层的结构和硬度。所获得的涂层依次为Cr0.95Al0.05N、Cr0.9Al0.1N、Cr0.83Al0.17N和Cr0.75Al0.25N,均为B1NaCl结构,(220)为主要的织构取向。随着涂层中Al含量的增加,涂层表面突起的尺寸逐渐降低,涂层趋于光滑致密;低Al含量涂层为柱状晶结构,随Al含量提高,涂层结构更加致密,并向等轴晶结构转变。涂层硬度随Al含量的提高先增加后降低,Cr0.83Al0.17N涂层表现出最高的硬度,维氏硬度达到33GPa以上。     

等离子体增强磁控溅射CrSiN涂层摩擦磨损行为

目的基于细晶强化理论,借助新型涂层制备技术获得综合性能优良的CrSiN涂层,研究Si含量对涂层微观结构、力学性能及耐磨性能的影响规律。方法采用等离子体增强磁控溅射技术,制备四种含有不同Si含量的Cr Si N涂层。使用X射线能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和原子力显微镜(AFM),分析涂层的化学成分、晶体结构、微观形貌和表面粗糙度。使用纳米压痕/划痕仪测试涂层的显微硬度、杨氏模量和结合力。使用摩擦磨损试验仪考察涂层的摩擦磨损行为。结果 Cr Si N涂层中Si含量随着Si靶功率的增加而增加。所有涂层中均未检测到含Si物相,主要由Cr N相组成。随着Si含量的增加,CrN(111)衍射峰逐渐减弱直至消失,涂层由疏松的三角锥结构逐渐变为致密平整的CrN纳米晶和Si3N4非晶共存的复合结构,涂层表面粗糙度显著降低,涂层的显微硬度、杨氏模量、结合力及耐磨性能均呈现先增后降的趋势。结论 Si含量为18.5%的Cr Si N涂层具有最佳的耐磨性能,此时涂层的硬度、杨氏模量、结合力和平均摩擦系数分别约为27 GPa、327 GPa、30 N和0.289。     

新型等离子体磁控溅射技术

介绍了等离子体磁控溅射原理和矩形磁控靶,探讨了几种新型等离子体非平衡磁控溅射技术,其中包括脉冲磁控溅射和离子辅助溅射,重点分析了工艺要点,并就存在的问题提出了解决思路.     

气压对离子源增强磁控溅射制备氮化铝薄膜的影响

目的 制备性能优异的氮化铝薄膜.方法 采用射频感应耦合离子源辅助直流磁控溅射的方法 制备氮化铝薄膜,在不同的气压下,在Si(100)基片和普通玻璃上生长了不同晶面取向的氮化铝薄膜.使用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、原子力显微镜(AFM)分析氮化铝薄膜的结构、晶面取向、表面形貌及薄膜表面粗糙度,使用紫外可见分光光度计测定薄膜的透过率,并计算薄膜的禁带宽度.研究气压的大小对磁控溅射制备氮化铝薄膜微观结构的影响.结果 在各气压下,薄膜生长以(100)面取向为主.在0.7Pa前,(100)面的衍射峰强度逐渐增强,0.7 Pa之后减弱.(002)面衍射峰强度在0.6Pa之前较大,0.6Pa之后变小.各气压下薄膜表面均方根粗糙度均小于3nm,且随着气压的增大先增大后减小,0.7 Pa时最大达到2.678nm.各气压下所制备薄膜的透过率均大于60%,0.7Pa时薄膜的禁带宽度为5.4eV.结论 较高气压有利于(100)晶面的生长,较低气压有利于(002)晶面的生长;(100)面衍射峰强度在0.7 Pa时达到最大;随气压的增大,薄膜表面粗糙度先增大后减小;所制备的薄膜为直接带隙半导体薄膜.     

磁控溅射沉积非晶碳膜微结构及电学性能

在单晶Si (100)基体上,采用闭合场非平衡磁控溅射方法沉积制备了导电非晶碳膜.X射线衍射(XRD)分析表明薄膜呈明显的非晶结构;用XPS分析了薄膜中的碳键结构,碳膜的C1s峰位于284～285 eV之间,Cls峰分峰拟舍得出sp2C的原子数分数为59％左右,碳键以sp2结构为主;四探针法测得薄膜的电阻率为1.32×...     

磁控溅射类石墨镀层的微观组织观察与分析

利用非平衡磁控溅射系统制备了含微量Cr的类石墨镀层,使用四点探针法测量所制备镀层的电阻率,测试结果表明所制备镀层工作层为类石墨层。使用SEM观察了镀层形貌,使用TEM及HRTEM观察了镀层的微观组织并利用选区电子衍射分析了镀层相结构,观察和分析结果表明:镀层表面质量良好,镀层的纯Cr金属底层为柱状晶结构,过渡层的晶体结构为非晶相中嵌有Cr纳米晶结构;工作层为非晶结构。测定了镀层的硬度、结合力,以及在不同载荷下的摩擦因数和比磨损率,测试结果表明:所制备镀层具有高硬度、高结合力、低摩擦因数和低比磨损率,且高载下比低载下有更低的摩擦因数。分析和讨论的结果还表明:工作层的非晶结构,是使所研究镀层具有高硬度、高结合力、低摩擦因数、低磨损率低的主要原因。     

深振荡磁控溅射复合沉积CrN/TiN超晶格薄膜的结构和性能研究

本文分别采用深振荡磁控溅射(Deep Oscillation Magnetron Sputtering, DOMS)复合脉冲直流磁控溅射(Pulsed dc Magnetron Sputtering, PDCMS)技术和单一的PDCMS技术,沉积厚度为2 mm、调制周期为6.3 nm的CrN/TiN超晶格薄膜。利用XRD、SEM和TEM表征薄膜的结构。利用纳米压痕仪、划痕仪和空气电阻炉分别测试薄膜的力学性能、结合力和热稳定性。利用球-盘式摩擦磨损试验机测试薄膜的摩擦学性能。利用阳极极化实验测试薄膜在3.5 wt.% NaCl溶液中腐蚀性能。研究表明,与单一的PDCMS技术相比,DOMS+PDCMS复合技术显著改善了CrN/TiN超晶格薄膜结构,薄膜具有更优异的力学、持久的耐磨减摩和抗腐蚀综合性能。     

磁控溅射制备TiWN/MOS2薄膜及其微观结构和摩擦学性能研究

采用磁控溅射方法在40Gr不锈钢基体上,沉积了TiN及TiWN单层薄膜、TiN/MoS2及TiWN/MoS2双层薄膜,对比分析了薄膜的成分、相结构、微观形貌及摩擦学性能.结果表明:根据W含量的不同,TiWN薄膜中,Ti0.67W0.33N膜层具有较高的硬度和弹性模量;TiWN/MoS2薄膜中,TiWN层主要含有TiN和...     

Effect of Ti Incorporation on the Microstructure and Properties of the a-C:H Films Deposited by Magnetron Sputtering Technique

Amorphous hydrogenated carbon(a-C:H)and Ti-incorporated a-C:H(Ti/a-C:H)films were deposited by magnetron sputtering with a mixture gas of CH4 and Ar.The effect of the Ti incorporation on the chemical composition,microstructure and properties of the as-deposited and the annealed films were investigated by various techniques.It has been shown that the bonding structure and the internal stress were sensitive to the incorporation of the Ti atoms.The results of the XPS revealed that the concentration of Ti atom on the surface of the film increased when the Ti/a-C:H film annealed at 300oC.The tribologcial properties of the(Ti/)a-C:H films changed greatly after annealed,due to the graphitization,oxidation of carbon,and so forth.It compared and discussed in detail the change of the microstructure and properties of the a-C:H and Ti/a-C:H films before and after annealed     

磁控溅射沉积BC_x薄膜的摩擦学性能

探索具有优良摩擦学性能的BCx薄膜的制备方法具有重要意义,文中采用闭合场非平衡磁控溅射碳化硼靶和石墨靶(纯度均为99.9%)的方法,在38CrMoAl齿轮钢和Si(100)表面沉积BCx薄膜,利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、原子力显微镜(AFM)、拉曼光谱、纳米压入仪、CSM摩擦磨损试验机和X射线光电子能谱仪(XPS)分别分析了BCx薄膜的结构特征、力学性能和摩擦磨损性能,得到了石墨靶电流对碳化硼薄膜结构和性能的影响规律。结果表明:相同的沉积时间内,BCx薄膜的厚度随石墨靶电流的增加逐渐增大,硬度、弹性模量逐渐降低,微观形貌的柱状结构特征越来越明显;增加石墨靶电流可以提高BCx薄膜的摩擦学性能,当石墨靶电流为2.4A时,BCx薄膜的摩擦因数稳定在0.2左右,且具有最佳的耐磨性能。     

碳含量对中频磁控溅射沉积MoCN涂层微观结构及摩擦学性能的影响

目的 为了大幅提高机械零部件表面的硬度和耐磨性能,探究制备具有低摩擦因数、高硬度和良好耐磨性的MoCN涂层。方法 采用中频磁控溅射技术在不锈钢基板和硅片上,通过控制C₂H₂气体(纯度99.99%,0、3、6、9 mL/min)的量来制备具有不同含碳量的MoCN纳米复合涂层。通过X射线衍射仪和拉曼光谱仪分析涂层主要的物相结构,采用扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)表征涂层的表面和断面形貌。采用连续刚度法,利用纳米压痕仪测试涂层的纳米硬度和弹性模量。利用自动划痕试验机和光学显微镜(OM)评估涂层与基体之间的黏附强度。最后利用多功能摩擦磨损试验机进行磨损试验,通过SEM对试验后的涂层进行磨损形貌分析,并对涂层的摩擦学性能进行评价。结果 涂层微观组织和力学性能表征结果表明,MoCN涂层由MoN相和非晶态碳相组成。随着涂层中碳含量的增加,涂层与基体之间的结合力和涂层表面的粗糙度都呈现逐渐减小的趋势,其涂层的划痕失效临界载荷和表面粗糙度的最小值分别为6.90 N和6.80 nm,但是涂层的纳米硬度从7.36 GPa增至10.23 GPa。摩...     

磁控溅射沉积Al/AlN纳米多层膜的摩擦学性能

纳米多层膜因具有优异的力学性能与抗摩擦磨损性能使其在摩擦学领域具有重要的应用价值。采用磁控溅射沉积法制备了Al、AlN单层薄膜与Al/AlN纳米多层膜,探讨了纳米多层化对薄膜的力学性能和摩擦学性能的影响。采用纳米压痕仪和摩擦磨损试验机测量评价薄膜的纳米硬度和摩擦学性能。结果表明:Al/AlN纳米多层膜具有良好的周期调制结构,多层膜中的大量界面能显著提高薄膜的力学性能与摩擦学性能。多层膜的硬度为8.8GPa,高于采用混合法则计算出的硬度值6.6GPa;多层膜具有软质Al层和硬质AlN层的交替结构,在摩擦过程中,硬质AlN层可以起到良好的承载作用,软质层可以起到良好的减摩作用。相对于Al单层薄膜或AlN单层薄膜,Al/AlN纳米多层膜具有较低的摩擦因数(0.15)和优异的抗磨损性能。     

磁控溅射沉积钌薄膜的微观结构及生长过程

采用射频磁控溅射,通过改变基底温度、溅射时间、基底形貌,制备不同参数的钌薄膜。结果表明,该工艺制备的钌薄膜均没有明显的择优取向。随着溅射温度的升高,薄膜的致密性不断提高,表面由平整向起伏型结构转变,晶粒尺寸出现先增大后减小的趋势。随着溅射时间的增加,晶粒尺寸小幅增加,晶粒由圆形状演变为致密的长条状。在表面形貌较平坦的基底上更易获得光滑而致密的钌薄膜。在此基础上,研究并讨论了不同基底形貌上钌薄膜的生长方式。     

Zr含量对磁控溅射Mg-Zr-O薄膜微观结构和放电性能的影响

采用磁控溅射在玻璃基底上沉积Mg-Zr-O 复合介质保护膜,研究Zr掺杂含量对薄膜微观结构和放电性能（着火电压,最小维持电压）的影响。结果发现,沉积的Mg-Zr-O薄膜晶粒细小,微观结构仍然保持MgO的面心立方NaCl型结构,所掺杂的Zr以Zr4+形式置换固溶于MgO晶格中。当掺杂Zr浓度为2.03at%时,薄膜具有最强的（200）择优取向和最小的表面粗糙度。适当Zr掺杂的Mg-Zr-O薄膜和纯MgO薄膜相比,其着火电压和最小维持电压分别降低了25和15 V。     

脉冲磁控溅射MoS2涂层的组织结构及摩擦学性能

采用单极性脉冲磁控溅射技术在A286基体表面制备MoS₂低摩擦系数涂层(LFC)。利用XRD、SEM等手段表征涂层的成分与微观组织;采用原位纳米力学测试系统、球-盘式摩擦磨损试验机分析涂层的力学和摩擦学性能,并探讨了脉冲偏压对涂层结构、力学和摩擦学性能的影响。结果表明,脉冲偏压由300V增加到600V,MoS₂涂层择优取向发生了(002)向(100)转变,当脉冲偏压增至800V时又恢复(002)择优取向,;随着脉冲偏压的增加,涂层的硬度及弹性模量出现先减少后增大趋势,摩擦系数在0.065~0.076范围内波动,呈现出先增加后减小趋势;偏压为800V的涂层摩擦学性能最佳,其磨损率仅为基体的13.5%。     

Characterization of ZrO_2 Films Deposited by Reactive Unbalanced Magnetron Sputtering

ZIRCONIUM OXIDE FILMS are widely used asoptical coatings due to their excellent properties such ashigh refractive index,broad region of low absorptionfrom the near-UV(above240nm)to the mid-IR(below8u,m)and high pulse laser damage threshold.Theirpotential applications include laser mirrors,edge orbroadband filters,etc ni.Many techniques such as electron beam evaporation,ion-assisted deposition[31,molecular beam epitaxy[41,pulse laser deposition[5]and sputtering havebeen employed to depo…