基片与膜厚对硬质薄膜力学性能的影响

采用毫牛力学探针技术的两步压入试验法研究了高速钢和不锈钢基片上不同厚度TiN薄膜的硬度和弹性模量。结果表明 :采用同样工艺制备的TiN薄膜 ,其力学性能随基片类型和膜厚的不同有明显变化。薄膜的硬度和弹性模量随膜厚的增加而提高 ;基体硬度的提高也使薄膜呈现较高的硬度和模量。分析认为薄膜内应力状态的改变是产生这些现象的主要原因。     

TiN/Si3N4纳米多层膜的生长结构与超硬效应

采用磁控溅射方法制备了一系列不同Si3N4和TiN层厚的TiN/Si3N4纳米多层膜,采用X射线衍射、高分辨电子显微分析和微力学探针表征了薄膜的微结构和力学性能,研究了Si3N4和TiN层厚对多层膜生长结构和力学性能的影响.结果表明:当Si3N4层厚小于0.7 nm时,原为非晶的Si3N4在TiN的模板作用下晶化并与之形成共格外延生长的柱状晶,使TiN/Si3N4多层膜产生硬度和弹性模量异常升高的超硬效应.最高硬度和弹性模量分别为34.0 GPa和353.5 GPa.当其厚度大于1.3 nm时,Si3N4呈现非晶态,阻断了TiN的外延生长,多层膜的力学性能明显降低.此外,TiN层厚的增加也会对TiN/Si3N4多层膜的生长结构和力学性能造成影响,随着TiN层厚的增加,多层膜的硬度和弹性模量缓慢下降.     

基于SVR的脉冲激光沉积TiN/AlN多层薄膜的工艺优化

根据脉冲激光沉积(PLD)法在单晶Si试样表面沉积制备多层TiN/AlN硬质膜实验数据,应用基于粒子群算法(PSO)寻优的支持向量回归(SVR)方法,建立不同工艺参数下沉积的TiN/AlN多层膜的AlN膜厚及TiN薄膜硬度的SVR预测模型。在相同的训练与测试样本集下,将SVR所得的AlN膜厚预测值与免疫径向基函数(IRBF)神经网络的计算结果进行比较。结果表明,SVR模型训练和预测结果的平均绝对百分误差要比IRBFNN模型的小,其预测精度更高,预测效果更好。应用SVR的TiN薄膜硬度模型对PLD法沉积TiN薄膜的工艺参数进行了优化,分析了多因素对PLD法沉积TiN薄膜硬度的交互作用和影响。该方法可为人们利用PLD法沉积TiN/AlN多层功能薄膜提供科学的理论指导,具有重要的理论意义和实用价值。     

厚度对TiN薄膜力学性能的影响

采用电弧离子镀方法制备了不同厚度TiN薄膜,并对其硬度、结合力、残余应力、摩擦磨损特性等力学性能进行了系统性研究,以揭示硬质薄膜厚度对其力学性能的影响规律。结果表明,随着厚度增加,薄膜表面大颗粒增加,膜基界面剪切力增大,薄膜硬度逐渐增加,结合力逐渐下降,摩擦系数略有下降;而薄膜应力沿层深分布趋势基本一致,都呈钟罩形分布;磨损率随薄膜厚度变化不大,即薄膜越厚越耐磨。     

磁控共溅射制备氮化钛铝薄膜及其机械性能的研究

使用磁控共聚焦溅射技术并改变溅射过程中Al的功率来制备了一系列Al含量不同的氮化钛铝（TiAlN）薄膜。在溅射过程,薄膜沉积速率和Al含量随Al的溅射功率增加而增大,而薄膜的粗糙度减小。Al含量较低时（约21％）,TiAlN薄膜的硬度和弹性模量都高于TiN薄膜。而Al含量较高时（〉26％）,薄膜的硬度和弹性模量也随含量增加减小。     

调制结构对TiN/ZrN纳米多层膜的表面形貌、生长行为及力学性能的影响

利用射频反应磁控溅射方法,设计并制备了一系列不同调制周期的TiN/ZrN纳米多层膜.利用原子力显微镜、X射线衍射仪和纳米压痕仪对多层膜的表面形貌、微观结构和力学性能进行了系统表征.研究结果表明调制结构影响着薄膜的择优生长取向、沉积速率和表面形貌;在调制周期为7nm～26nm的范围内,随调制周期的增加,TiN/ZrN多层膜的织构取向有从(100)面向(111)面转变的趋势;TiN和ZrN层的沉积速率随调制周期的变化而变化.在调制周期为15nm左右时,表面粗糙度最小,减小和增加调制周期均导致粗糙度的增加.力学性能分析表明TiN/ZrN多层膜的硬度和弹性模量均高于单一TiN和ZrN的硬度和弹性模量,且随着调制周期的减小有逐渐增加的趋势.此外,根据调制结构和力学性能的分析结果,讨论了TiN/ZrN纳米多层膜的硬化机制.     

轴向磁场对电弧离子镀TiN/Cu薄膜性能的影响

使用加可调轴向磁场的电弧离子镀设备在不锈钢基体上制备TiN/Cu薄膜,研究了轴向磁场强度对薄膜微观结构、化学成分、力学性能和耐磨性能的影响。结果表明,在不同强度的磁场下TiN/Cu薄膜具有相同的TiN结构,且以沿TiN(111)面的择优取向为主。随着磁场强度的提高(111)面衍射峰的强度逐渐提高、TiN/Cu薄膜表面的粗糙度先降低后提高、薄膜中Cu的含量逐渐提高、硬度和弹性模量也逐渐提高、薄膜的磨损率先降低后提高。当磁场强度为80 Gs时薄膜的硬度达到约为36 GPa的最大值,耐磨性能最高。     

氨气还原氮化法制备TiN薄膜及其SERS效应研究

以四氯化钛乙醇溶液为钛源,采用氨气还原氮化法成功制备了TiN薄膜,利用XRD、RAMAN、FE-SEM、TEM、SAED及UV-VIS-NIR表征薄膜结构及光学性能。结果表明,TiN薄膜为NaCl型面心立方TiN晶体,膜厚在250nm左右。UV-VIS-NIR分析显示TiN薄膜在500nm附近出现了特征表面等离子体共振吸收峰。利用R6G作为探针分子研究了TiN薄膜拉曼增强效应,结果发现,TiN薄膜具有显著的拉曼增强效应,与空白石英基片相比,TiN薄膜对R6G增强因子为6.08×10~3,检出限为10~(-6) mol/L。     

TiN/NbN纳米多层薄膜的交变应力场和超硬效应

为了研究纳米多层薄膜的超硬效应 ,采用反应溅射法制备从 1 4nm至 2 7nm不同调制周期的一系列TiN/NbN纳米多层膜。高分辨电子显微镜对薄膜的调制结构和界面生长方式的观察发现 ,TiN/NbN膜具有很好的调制结构 ,并呈现以面心立方晶体结构穿过调制界面外延生长的多晶超晶格结构特征。显微硬度测量表明 ,TiN/NbN纳米多层膜存在随调制周期变化的超硬效应。薄膜在调制周期为 8 3nm时达到HK39 0GPa的最高硬度。分析认为 ,两种不同晶格常数的晶体外延生长形成的交变应力场 ,对材料有强化作用 ,这是TiN/NbN纳米多层膜产生超硬效应的主要原因     

辉光弧光协同共放电方式制备TiN薄膜的研究

分别采用中频磁控溅射、电弧离子镀及辉光弧光协同共放电混合镀(APSCD)三种方式在碳钢基体上制备TiN薄膜,采用原子力学显微镜、显微硬度计、台阶膜厚仪、电化学技术对薄膜表面形貌、显微硬度、膜厚、耐腐蚀性进行测试.研究结果表明:多弧离子镀薄膜颗粒的平均粗糙度为7.066 nm,混合镀薄膜颗粒的平均粗糙度为4.687 nm,在相同时间条件下,磁控溅射薄膜厚度为658 nm,混合镀膜厚度为1345 nm,混合镀工艺具有降低多弧离子镀粗糙度又可以克服磁控溅射沉积速率慢的优点.经过混合镀TiN薄膜后,基体表面显微硬度从226HV提高到1238 HV,在天然海水中测得混合镀膜层腐蚀电位比基体提高104 mV.     

TiN／NbN纳米多层薄膜的交变应力场和超硬效应

为了研究纳米多层薄膜的超硬效应，采用反应溅射法制备从1.4nm至27nm不同调制周期的一系列TiN/NbN纳米多层膜。高分辨电子显微镜参薄膜的调制结构和界面生长方式的观察发现，TiN/NbN膜具有很好的调制结构，并呈现以面心立方晶体结构穿过调制界面外延生长的多晶超晶格结构特征。显微硬度测量表明，TiN/NbN纳米多层膜存在随调制周期变化的超硬效应。薄膜在调制周期为8.3nm时达到HK39.0 Gpa的最高硬度。分析认为，两种不同晶格常数的晶体外延生长形成的交变应力场，对材料有强化作用，这是TiN/NbN纳米多层膜产生超硬效应的主要原因。     

SiO2层晶化对TiN/SiO2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(0.45～0.9 nm)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45 GPa).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.     

TiN／AIN纳米多层膜的调制周期及力学性能研究

采用一种新型的离子束辅助非平衡反应磁控溅射设备制备了TiN／AlN纳米多层复合膜。采用XRD衍射、TEM、显微硬度计和干涉显微镜对TiN／AlN纳米多层膜的微结构和力学性能进行了表征。结果表明：TiN／AlN多层膜有良好的周期；调制结构影响薄膜的择优取向，薄膜整体表现出硬度增强的效果，硬度随调制周期的变化而变化并在调制周期为7、5nm时达到最大值。     

TiN/AlN纳米多层膜的调制周期及力学性能研究

采用一种新型的离子束辅助非平衡反应磁控溅射设备制备了TiN/AlN纳米多层复合膜.采用XRD衍射、TEM、显微硬度计和干涉显微镜对TiN/AlN纳米多层膜的微结构和力学性能进行了表征.结果表明TiN/AlN多层膜有良好的周期;调制结构影响薄膜的择优取向,薄膜整体表现出硬度增强的效果,硬度随调制周期的变化而变化并在调制周期为7.5 nm时达到最大值.     

电弧离子镀TiN薄膜的往复滑动摩擦学行为研究

采用电弧离子镀技术在不锈钢基片上沉积了TiN薄膜,利用显微硬度计测量了薄膜的表面硬度.采用球-盘式摩擦磨损实验机对比研究了基片和薄膜在与GCr15配副的情况下,二者在空气中干磨擦状态下的摩擦磨损性能;利用扫描电镜(SEM)、能量衍射谱仪(EDS)和表面粗糙度台阶轮廓仪对薄膜的磨损区域进行了微观分析.实验结果表明,随着法向载荷和往复速率的增大,薄膜和基体的摩擦系数都减小,但薄膜的摩擦系数始终小于基体的摩擦系数.不锈钢基体与GCr15配副时,基体磨损较大,此时的磨损机制是犁削磨损和磨料磨损;而TiN薄膜与GCr15配副时,薄膜不仅无磨损,而且其表面将形成一层具有润滑作用的移着膜,此时的磨损机制主要是磨料磨损,因此在不锈钢基体上沉积TiN薄膜有利于提高基体的耐磨性.     

氮气流量对UBMS制备TiN薄膜结构和力学性能的影响

利用非平衡磁控溅射离子镀技术研究了不同氮气流量对TiN薄膜结构、摩擦性能、附着力及显微硬度的影响.研究结果表明:N2流量对TiN薄膜的择优取向有很大影响,N2流量较小时,TiN薄膜显示出{111}择优取向生长趋势,在N2流量为15sccm条件下沉积的TiN薄膜的(111)衍射峰强度最强,与之对应的薄膜硬度和膜基结合强度最高,耐磨性能也最好;N2流量的大小对TiN薄膜的沉积速率和摩擦系数影响显著,并随N2流量增加都有较明显的下降趋势.     

显微硬度法与纳米压入法测量微米级硬质薄膜硬度的比较

测定了离子束辅助沉积TiN,CrN薄膜的纳米压入硬度（Hnano值）、维氏显微硬度（Hv值）和努氏显微硬度（HK值）。结果发现,HK值比Hv值更接近于Hnano值,相对较为准确。膜的厚度（t）越薄,三种方法测得硬度值差别越大;膜的厚度越厚,差别越小。随着膜的厚度增加,Hk值和Hv值逐渐接近Hnano值。t≈5．0μm时,Hv≈HK≈Hnano对于硬膜软基体模型,如果膜厚〉5．0μm,可以采用显微硬度计较为准确地测量薄膜硬度;膜厚〈5．0μm时,应避免使用显微硬度法而采用纳米压入法。     

TiN/Ti多层膜调制比对摩擦磨损行为影响的研究

考察了TiN/Ti多层膜调制比对其摩擦磨损行为的影响. 采用磁过滤阴极弧沉积的方法制备了具有不同调制比的TiN/Ti多层膜, 用扫描电镜和透射电镜对其层状结构及子层结构进行了观察和分析. 用纳米压痕和SRV摩擦磨损试验的方法, 对多层膜进行了纳米硬度和弹性模量测试以及摩擦磨损实验. 结果表明, 所制备的TiN/Ti多层膜层状结构清晰, 与基底结合良好, 调制比对多层膜的硬度和磨损特性影响较大, 而对摩擦系数的影响却不明显. 结合实验结果, 讨论了硬度与弹性模量的比值(H/E值)对TiN/Ti多层膜耐磨性的影响.     

奥氏体不锈钢表面硬质薄膜的制备与性能研究

用磁控溅射法在奥氏体不锈钢基片上分别制备了TiN薄膜和Al2O3薄膜,并用XRD、SEM和显微硬度等测试手段对沉积态和退火态薄膜进行表征,分析了不同工艺参数对薄膜的沉积速率、结构和性能的影响,从而得到最佳工艺参数。TiN薄膜在沉积气压为1．5Pa,氩氮比为16：16时薄膜的硬度值最大为16．0GPa。Al2O3薄膜在沉积气压为0．5Pa,氩氧比为10：1时薄膜的硬度值可达25．2GPa。     

离子束流密度和基底温度对TiN纳米薄膜性能的影响

采用低能离子束辅助沉积技术在Si片上制备了TiN纳米薄膜.考察了离子束流密度和基底温度对薄膜性能的影响.研究表明:随着离子束流密度的增大,TiN薄膜的纳米硬度上升,膜基结合力变化不大,薄膜的耐磨性获得了很大改善;制膜时的基底温度升高,薄膜的硬度也会上升,但膜基结合力下降,摩擦系数增大,薄膜的耐磨性下降.