陶瓷硬质薄膜的微结构与力学性能研究

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1、摘要／’f现代科学技术的迅速发展，对材料提出了愈来愈苛刻的性能要求．在材料的诸多性能中，硬度是其最重要、最基本的性能指标之一．超硬材料的合成及其性质的研究，一直是凝聚态物理和材料科学研究的重点之一．对硬质薄膜的研究主要集中在本征硬质薄膜、多元化合物硬质薄膜、纳米陶瓷多层膜和纳米混合薄膜几个重要的方向。广、一一本文利用反应磁控溅射技术，在不同的工艺条件(沉积温度、反应气体分压和基片性质等)下制备了本征硬质薄膜B4C、CrNx，NbN和纳米复合薄膜Nb—Si-N等几种陶瓷薄膜，采用EDX，XRD，TEM，

2、FTIR，HREM，AFM等技术研究了薄膜的成分、相结构、微观结构和生长形貌等，并利用显微力学探针测量了薄膜的硬度和弹性／模量等力学性质．(结果表明：L1．采用磁控溅射法，在基片温度为室温时制备的B4C薄膜呈非晶结构，基片温度提高到450℃，薄膜显示出晶化倾向。与此相应，B4C薄膜的硬度从室温时的42．5GPa小幅度提高到高温下的50．4GPa。2．采用磁控溅射法，随N2分压的改变，可以制备不同氮含量的CrN。薄膜，且薄膜的沉积速率，化学成分、相组成以及相应的力学性能均随N2分压的改变而改变。制备得到

3、的Cr2N薄膜具有硬度为27．1GPa和弹性模量为348GPa的优良力学性能，且具有较高的沉积速率。在高N2分压的反应溅射法可制备CrN薄膜，但沉积速率大大降低；CrN薄膜虽然硬度与Cr2N相当，但弹性模量较低，为300GPa。3采用磁控溅射技术，在不同的N2分压下可以制备出不同氮含量的NbN薄膜，且薄膜的沉积速率、化学成分，微观结构和以及相应的力学性能都随分压而变化。采用磁控溅射法制备出的具有面心立方结构的NbN薄膜具有较高的硬度(36．6GPa)和弹性模量(457GPa)以及较高的弹性，是一种具有

4、广阔应用前景的硬质涂层材料。混合有B—Nb。N和六方结构NbN相的薄膜，硬度和弹性模量比单相面心立方NbN薄膜的硬度和弹性模量较低。4．采用反应磁控溅射技术，制备了Nb—si-N复合薄膜，结果表明，si元素的加入细化了晶粒，并且在晶粒内形成了一种调制结构，使薄膜硬度从36GPa升高到、53GPa，而且提高了薄膜的弹性模量和弹性回复率等力学性能。厂y一～关键词：磁控溅射：B-C—N-Si四元区薄膜；CrNx薄膜；NbN薄膜；Nb．Si．N薄膜；微结构；力学性能IIABSTRACTMoreandmores

5、trictdemandshavebeenproposedforthepropertiesofmatesialswiththedevelopmentofmodemscienceandtechnology．Amongtheseproperties，mechanicalpropertiessuchashardnessandmodulusaresubstantialandofgreatimportance．Theresearchofsynthesisandpropertiesofsuperhardmateri

6、alshasbeenafocusofsolidphysicsandmaterialscience．Thisworkismainlyconcentratedonintrinsicallyhardfilms，miscellaneoushardfilms，ceramicnanomultilayersandnanocompositefilms．Inthispaper,severalkindsofceramicfilms，whichareintrinsicallyhardB4C，CrNx，NbNfilmsand

7、nanocompositeNb-Si—Nfilmswerepreparedbyreactivemagnetron州tlldifferentdepositionparemeters，suchassubstratetemperatures，partialpressuresofreactivegasesandpropertiesofsubstrate．EDX，XRD，TEM，FTIR，HREM，AFMwereemployedtocharacterizetheirchemicalcompositions，ph

8、ases，microstructureandsurfacemophology．Mechanicalpropertiesofthesefilmswereevaluatedusingamicrohardnesstester．Theresultsareasfollows：1．Theas-depositedboroncarbidefilmsdepositedbelow450℃areamorphousormicrocrystallinewithhigllhardn