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反应溅射碳化钒薄膜及VC/Si_3N_4、V_2C/Si_3N_4纳米多层膜的制备、生长结构与力学性能

作　者: 乌晓燕
导　师: 李戈扬
学　校: 上海交通大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 碳化钒薄膜 VC/Si3N4纳米多层膜 V2C/Si3N4纳米多层膜模板效应外延生长反应溅射
分类号: TG174.444
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

硬质薄膜材料在包括刀具涂层在内的表面改性领域有重要的应用。以TiN为代表的氮化物薄膜在刀具涂层上已取得了巨大的成功,而硬度更高的碳化物薄膜作为刀具涂层材料尚未得到充分的研究。两种材料以纳米量级交替沉积形成的纳米多层膜常具有硬度异常升高的超硬效应。纳米多层膜材料组合的多样性及由此带来的性能可裁剪性使其成为一条获得兼具高硬度和优异综合性能的有效途径,而这类两相纳米结构薄膜通过微结构强化而不是传统的通过强键能获得高硬度的强化机制更具理论研究价值。已有的研究表明,具有超硬效应的纳米多层膜多由两种氮化物组成或以氮化物为基组成,较少涉及包括碳化物在内的其他陶瓷材料。近期的研究发现,共格外延生长是纳米多层膜获得超硬效应的重要微结构特征和必要条件,模板效应对纳米多层膜获得共格外延生长结构具有重要意义。然而,对模板效应已积累的实验结果主要涉及氮化物,这种使多层膜获得共格外延生长结构的模板效应的普遍性还需要进一步在材料种类和结构类型方面积累更多的例证。本论文采用金属V靶在氩气和乙炔混合气氛中,通过反应溅射制备了碳化钒薄膜,研究了乙炔分压对薄膜的成分、相组成和力学性能的影响;在此基础上进一步制备了VC/Si3N4和V2C/Si3N4纳米多层膜,研究了不同晶体结构碳化物对非晶Si3N4晶体化的模板效应以及相应纳米多层膜的微结构与力学性能的影响。论文取得的主要研究结果如下:1.采用在Ar-C2H2混合气体中的射频反应磁控溅射技术可以方便地合成碳化钒薄膜。碳化钒薄膜的化学成分、相组成、微结构以及相应的力学性能对C2H2分压非常敏感,在C2H2分压为混合气体总压~3%附近时可以获得硬度与弹性模量较高的立方结构的VC薄膜。此时薄膜的硬度与弹性模量也分别为各种结构碳化钒薄膜中的最高值,分别为35.5GPa和358GPa;在C2H2分压为混合气体总压~1.5%时附近时,可制得具有六方结构的V2C薄膜,其硬度和模量分别为31.3GP和260GPa;较高的C2H2分压下,薄膜的碳含量增加,在六方结构的γ-VC薄膜中产生非晶碳相,薄膜的硬度和弹性模量亦随之降低。2.由于在Ar-C2H2混合气体中溅射陶瓷Si3N4靶所得的薄膜不会渗碳,仍为Si3N4薄膜,因而改变C2H2的分压,通过反应溅射金属V靶和Si3N4陶瓷靶,可以方便地制备不同晶体结构类型的VC/Si3N4和V2C/Si3N4纳米多层膜。3.纳米多层膜中晶体生长的模板效应具有普遍性,立方结构的VC和六方结构的V2C都具有使非晶Si3N4层在厚度小于约1nm时晶体化并分别与VC和V2C形成共格外延生长的模板效应。与已有的报道相对照,实验展示的以上结果为模板效应的普遍性提供了材料(碳化物)和结构(立方和六方)方面的新例证。4.研究表明,共格外延生长的VC/Si3N4纳米多层膜产生了硬度升高的超硬效应,最高硬度为41GPa,明显高于VC单层薄膜约35.5GPa的硬度。而同样形成共格外延生长结构的V2C/Si3N4纳米多层膜的硬度仅为约22GPa,大大低于V2C单层膜31.3GPa的硬度值。共格生长结构所产生的交变应力场改变了各调制层的模量是导致以上两种纳米多层膜力学性能不同的原因。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
1 绪论  11-30
  1.1 引言  11
  1.2 硬质薄膜的分类  11-13
    1.2.1 本征硬质薄膜  11-12
    1.2.2 多元化合物硬质薄膜  12
    1.2.3 微结构强化硬质薄膜  12-13
  1.3 硬质纳米多层膜  13-14
  1.4 纳米多层膜的强化机制  14-18
    1.4.1 模量差理论  14-16
    1.4.2 Hall-Petch 强化理论  16-17
    1.4.3 交变应力场理论  17-18
  1.5 纳米多层膜中晶体生长的模板效应与非晶晶化  18-22
    1.5.1 纳米多层膜的生长  18
    1.5.2 稳定相的共格外延生长  18-19
    1.5.3 亚稳相的外延生长稳定化  19-20
    1.5.4 非晶相外延强制晶化  20-22
  1.6 碳化钒硬质薄膜  22-26
    1.6.1 碳化物薄膜  22
    1.6.2 碳化钒薄膜  22-26
  1.7 本论文的研究内容  26-27
  参考文献  27-30
2 薄膜的制备与检测  30-40
  2.1 镀膜设备及原理  30-34
    2.1.1 镀膜设备  30
    2.1.2 溅射原理  30-34
  2.2 薄膜检测设备与检测方法  34-39
    2.2.1 X 射线衍射(XRD)  34-35
    2.2.2 扫描电子显微镜(SEM)  35
    2.2.3 能量散射光谱仪(EDS)  35
    2.2.4 原子力显微镜(AFM)  35-36
    2.2.5 纳米力学探针（Nanoindenter）  36-37
    2.2.6 薄膜的硬度测量－两步压入法  37-39
  参考文献  39-40
3 反应溅射碳化钒薄膜的制备、微结构与力学性能  40-50
  3.1 引言  40
  3.2 实验  40-41
  3.3 实验结果与讨论  41-48
    3.3.1 成分与微结构  41-46
    3.3.2 力学性能  46-48
  3.4 本章小结  48-49
  参考文献  49-50
4 VC/Si3N4 和V2C/Si3N4纳米多层膜的生长结构与力学性能  50-64
  4.1 引言  50
  4.2 薄膜的制备  50-52
  4.3 VC/Si3N4纳米多层膜的微结构与力学性能  52-56
  4.4 V2C/Si3N4纳米多层膜的微结构与力学性能  56-60
  4.5 讨论  60-61
    4.5.1 多层膜的生长  60
    4.5.2 多层膜的力学性能  60-61
  4.6 本章小结  61-63
  参考文献  63-64
5 总结  64-65
致谢  65-66
攻读学位期间发表的学术论文  66-68

反应溅射碳化钒薄膜及VC/Si_3N_4、V_2C/Si_3N_4纳米多层膜的制备、生长结构与力学性能

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