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ZrN/Al-Si-N多层膜与Al-Si-C-N复合膜的制备及性能研究

作　者: 吴化胜
导　师: 许俊华
学　校: 江苏科技大学
专　业: 材料学
关键词: 多层膜复合膜微结构力学性能致硬机理摩擦磨损
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本论文采用反应磁控溅射法制备了Al-Si-N复合膜、ZrN/Al-Si-N纳米多层膜以及Al-Si-C-N纳米复合膜。研究了Si含量对Al-Si-N薄膜的微结构和性能的影响;研究了不同调制比和不同调制周期对ZrN/Al-Si-N纳米多层膜微结构及其性能的影响,并探讨了多层膜的可能致硬机理;研究了不同C靶功率对Al-Si-C-N复合膜的微结构和性能的影响,并探讨了复合膜的可能致硬机理。研究结果如下:在Ai-Si-N复合膜中,随着Si含量的增加,AlN(100)、AlN(110)衍射峰先增强,当Si含量达到15.36at.%以后,又逐渐弱化、宽化,向大角度方向偏移,薄膜趋向于纳米晶;薄膜在Si含量为9.91at.%时,硬度达到最大值27.9GPa,固溶强化和界面复合强化可能是硬度升高的主要原因;薄膜的抗氧化性能随着Si含量的增加而逐渐提高,Si含量为20.12at.%时,其抗氧化温度超过950℃;薄膜的室温平均摩擦系数随Si含量的增加先减小后小幅增大,摩擦系数的减小主要是受由a-Si3N4、SiO2和Si(OH)2组成的摩擦层影响,高温(750℃)平均摩擦系数随Si含量的增加先增大后减小,但均小于相同Si含量的室温摩擦系数,主要受高温下生成的氧化物润滑层的影响。在ZrN/Al-Si-N多层膜中,固定lZrN=5.0nm,改变lAl-Si-N从0.36nm~3.6nm,没有产生模板效应,fcc-ZrN与hcp-Al-Si-N形成了异构共格外延生长结构。在lAl-Si-N=0.36nm时,硬度达到最大值35.31GPa,随着lAl-Si-N的逐渐增大,薄膜的硬度逐渐下降。随着lAl-Si-N的逐渐增大,平均摩擦系数(室温)先增大后小幅下降,在lAl-Si-N=0.36nm时达到最小值0.1873;固定R=1,改变Λ从2nm~10nm,fcc-ZrN与hcp-Al-Si-N之间仍为异构共格外延生长。随着Λ的增大,薄膜硬度先增大后减小,在Λ=6nm时,有最大值29.52GPa,平均摩擦系数缓慢增大。多层膜硬度提高可能是协调应变强化以及c-ZrN、h-Al-Si-N之间具有不同的滑移系统所致。在Al-Si-C-N复合膜中,引入C元素以后,薄膜仍为六方结构,AlN(100)和AlN(110)衍射峰迅速减弱,出现了较强的AlN(002)衍射峰、较弱的AlN(101)、AlN(102)和Al3C4(104)衍射峰,薄膜呈AlN(002)择优生长。随PC的增加,所有衍射峰逐渐向小角度方向偏移,并逐渐宽化、弱化;随PC的增加,复合膜的硬度先逐渐增大后又逐渐减小,PC=50w时,有最大值41.78GPa,其致硬机理可能为细晶强化、界面复合强化以及固溶强化。掺入C元素可降低薄膜的摩擦系数。

ZrN/Al-Si-N多层膜与Al-Si-C-N复合膜的制备及性能研究

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