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反应磁控溅射镀制（Ti，Nb）N硬质薄膜的研究

作　者: 丛雷
导　师: 张世伟
学　校: 东北大学
专　业: 化工过程机械
关键词: (Ti,Nb)N硬质薄膜 剃须刀片 双靶反应共溅射 最优靶基距
分类号: TB43
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要


本课题的目的是在剃须刀片刃口上镀制一层硬质薄膜,以提高刀片的锋利度和使用舒适性,并对所镀制的硬质薄膜工艺参数、性能进行研究。本文首先对硬质薄膜的发展作了概述,着重综述了TiN复合镀层和纳米硬质薄膜的研究进展；在此基础上,选用双靶反应共溅射方法,在剃须刀片表面和刃口上沉积了(Ti, Nb) N薄膜。通过改变沉积温度和反应气体压强得到不同的样品,并对膜层的相结构和性能进行了分析和测试。为了使实验设备符合项目需要,我们对实验设备进行了改造,主要是加设双靶共溅射系统以及工件架系统。为了提供靶的设计理论依据,以小平面溅射源的膜材溅射模0型为出发点,逐步逼近于现实模型,依次推导出基片可绕中心轴旋转、溅射源为环形跑道两种情形,并最终推导出与实际相符合的环形溅射源与旋转基片倾斜α角的最终理论模型,对最终理论模型进行无量纲化,并且利用Matlab编程计算,得出了最优化的靶基距。该推导和计算过程及方法同样适用于其它双靶共溅射系统的设计,只要改变相应的参数即可。为了研究温度对(Ti, Nb) N薄膜表面形貌和相结构的影响,在300℃-500℃的范围内调整反应温度,结果表明：随着反应温度的升高,晶粒的尺寸在减小,薄膜晶粒逐渐变得均匀、平整和致密。文中根据热力学原理计算出沉积体系中各种化合物相的生成能,并结合温度对膜层的相结构进行了分析和解释。当沉积温度比较低时(300℃),优先生成TiN相,而Nb无法与N化合,只能部分取代TiN晶格中Ti的部分位置,形成置换固溶的(TiNb)N相。当温度增加到400℃以上时,离子能够达到克服NbN相的生成势垒要求,此时不仅得到了较容易生成的TiN相,而且也得到了较难生成的NbN相。为了研究工作气压对(Ti, Nb) N薄膜相结构及硬度的影响,我们分别做了400℃下,0.2pa,0.3pa,0.4pa,0.6pa,0.8pa和1.0pa六组实验。结果表明：当工作气压低于0.4pa时,生成的(Ti, Nb) N薄膜沿(111)面择优生长；当工作气压高于0.4pa时,生成(Ti, Nb) N薄膜沿(200)面择优生长。而且,当工作气压高于0.4pa,即(Ti, Nb) N薄膜沿(200)面择优生长时,薄膜和基体的混合硬度会呈现先增大后减小的趋势,并且在工作气压为0.8pa时达到最大硬度,为194HV。为了研究镀膜后刀片刃口的锋利度,我们对刀片做了切割力测试,并且对各组样品做刀片刃口的SEM扫描。结果表明：在刀片刃口完好,没有损伤的情况下,锋利度与薄膜的硬度成正比。但是刃口的宽度和刃口角对刀片的锋利度具有至关重要的影响,要达到Gillette刀片的锋利度,首要的就是改进研磨工艺,减小现有刀片的刃口宽度和刃口角。

全文目录


摘要  5-7
Abstract  7-11
第1章 绪论  11-18
  1.1 引言  11-12
  1.2 直流反应磁控溅射及其特点  12-13
  1.3 硬质薄膜发展概况  13-16
  1.4 剃须刀片镀膜的发展  16-17
  1.5 本课题的任务和目的  17-18
第2章 TiN复合镀层及纳米硬质薄膜的研究进展  18-28
  2.1 TiN复合镀层的研究进展  18-22
    2.1.1 Ti(C_xN_(1-x))复合镀层  18
    2.1.2 Ti-Si-N复合镀层、Ti-B-N复合镀层和Ti-C_3N_4复合镀层  18-21
    2.1.3 (Ti,AI)N复合镀层、(Ti,Cr)N复合镀层和(Ti,Nb)N复合镀层  21-22
  2.2 纳米硬质薄膜的研究进展  22-28
    2.2.1 纳米多层膜  22-23
    2.2.2 纳米复合薄膜  23-25
    2.2.3 纳米复合薄膜的性能特点  25-28
第3章 理论计算与靶的设计  28-37
  3.1 基本概念与模型  28-34
    3.1.1 基片可绕中心轴旋转的情形  29-30
    3.1.2 溅射源为环形跑道的情形  30-32
    3.1.3 环形跑道与旋转基片成α角情形  32-34
  3.2 计算结果与讨论  34-37
第4章 实验设备与方法  37-41
  4.1 实验设备  37-39
  4.2 基片前处理  39
  4.3 薄膜的结构与性能表征方法  39-40
  4.4 实验工艺和参数  40-41
第5章 工艺参数对薄膜性能的影响  41-60
  5.1 反应温度对(Ti,Nb)N薄膜表面形貌的影响  41-43
  5.2 反应温度对薄膜相结构的影响  43-47
  5.3 工作气压对生成的(Ti,Nb)N薄膜结构的影响  47-52
  5.4 靶电流对薄膜组成的影响  52-54
  5.5 工艺条件对薄膜硬度的影响  54-55
  5.6 切割力检测结果分析  55-60
第6章 结论与展望  60-62
  6.1 全文总结  60-61
  6.2 工作展望  61-62
参考文献  62-68
致谢  68

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工业通用技术与设备 > 薄膜技术
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