si元素含量对zrn基薄膜的摩擦磨损性能的研究(附件)【字数：13598】
摘 要摘 要本文通过在ZrN基薄膜中添加不同含量的Si，然后采用非平衡磁控溅射方法在单晶硅（100）基片和304不锈钢基片上沉积不同Si含量的复合膜，制备出一系列的Zr1-xSixN薄膜，采用CPX+NHT2+MST纳米力学综合测试系统、JSM-6480型扫描电子显微镜（SEM）及附带的能谱仪（EDS）、UMT-2型高温摩擦磨损仪等仪器研究复合膜的显微结构，力学性能和摩擦磨损性能。结果表明，ZrN薄膜呈（111）面择优生长，ZrSiN复合膜呈现ZrN0.28(002）晶面择优生长，并随着Si元素含量增加，衍射峰强度逐渐加强。当Si含量为90W，120W时，出现微弱且宽化的ZrN（002）晶面衍射峰。当少量Si元素被加入后，薄膜的显微硬度会有一段急剧的下降，当Si靶材的功率上升后，薄膜的显微硬度开始增大。Si元素的加入会使得复合膜的摩擦系数先增大后减小，但是Si元素对于复合膜的摩擦系数没有太大的影响。ZrSiN薄膜中加入Ag对于其力学性能有所下降，但是对于摩擦磨损性能影响不大。关键词ZrSiN薄膜；显微结构；力学性能；摩擦磨损性能
目 录
第一章 绪 论 1
1.1选题的理论意义 1
1.2薄膜的基本信息 1
1.3 ZrN薄膜 3
1.3.1纳米复合膜 3
1.3.2 纳米多层膜 4
1.3.3 ZrN薄膜的特性 5
1.3.4常见几种薄膜制备方法 6
1.3.5 ZrN薄膜的应用 7
1.3.6 Si元素在ZrN薄膜中的作用 9
1.4摩擦磨损理论 9
1.4.1摩擦理论 磨损分类 9
1.4.2影响摩擦的因素 11
1.5本课题的研究内容和方法 13
第二章 实验对象及实验器材 14
2.1 ZrN薄膜 ZrSiN薄膜 14
2.2实验仪器 14
第三章 实验结果分析 21
3.1 薄膜微观结构分析 22
3.2薄膜的力学性能（硬度）分析 25
3.3薄膜摩擦磨损分析 26
3.4 本章总结 29
结 论 31< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
br /> 致 谢 32
参考文献 33
绪 论
1.1 选题的理论意义
现如今表面薄膜技术在改良材料性能方面起到了很重要的作用，尤其是硬质涂层可以提高基体材料的表面力学性能以及其化学稳定性能。硬质涂层中就包括了过渡族金属氮化物如TiN，ZrN。氮化物与基体的结合力较高，有优良的耐磨耐腐蚀能力。TiN有着较高的硬度，熔点，耐磨耐腐蚀能力，不仅仅可以作为耐磨涂层应用于磨具和切削刀具的表面强化，也可以应用于表面腐蚀和装饰[1]。随着切削加工业的发展，对于刀具的要求也更高，因此传统的二元薄膜已经不能满足切削要求，所以向薄膜中添加其他元素可改善薄膜的显微结构与综合性性能。向TiN薄膜中添加Mo，C等元素可以使得薄膜多元化，改变其微结构，因而降低它的摩擦因数，提高综合性能。向ZrN薄膜中添加Al，Si元素可以提高硬度与抗氧化性能。ZrN薄膜与TiN薄膜相比，具有更好的力学性能，热稳定性，抗氧化性能以及化学稳定性，还有ZrN薄膜拥有金黄色的色泽以及良好的耐腐蚀性能，但是同时ZrN的抗氧化温度较低，限制了它的应用。我们在考据其他薄膜时发现，在TiN薄膜中添加了Si形成的TiSiN复合薄膜，显著提高了薄膜的硬度以及它的抗氧化温度。Zr与Ti在元素周期表中属于同一族，它们在性能以及结构上近似，在Zr基薄膜中添加 Si 有可能会获得与Ti基薄膜中 Si的添加一样的成果[2]。所以这次实验通过在ZrN薄膜中添加Si，然后进行非平衡磁控溅射制备出一系列的Zr1xSixN薄膜，研究不同的Si的含量对于薄膜的成分，显微结构，摩擦磨损性能，高温抗氧化性以及力学性能的不同的影响。
1.2 薄膜的基本信息
薄膜可以定义为：根据不同的需要，通过特殊的制备方法，于基体的表面形成厚度达到亚微米到微米级的膜层[3]。从原子的尺寸角度来看，薄膜的表面会呈现出不连续性，高低上的不平，薄膜内部会出现有空位以及位错等缺陷，并且会混入杂质。通过工艺方式上的不一样，对工艺参数的掌控，可以获得结构不同的薄膜，如单晶薄膜，非晶态薄膜，多晶薄膜，亚微米级的超薄膜以及晶体取向外延薄膜等。
薄膜的基本性质：
力学性质。薄膜的弹性模量很接近基体材料，但是其抗拉强度很明显大于体材料，有的能达到基体材料的200倍左右。这是因为薄膜内部有着高密度缺陷。
（2）导电性。电子的平均自由程λf和薄膜的膜厚t会影响到薄膜的导电性。当t小于λf时：岛状结构的薄膜，其电阻率将特别大；当膜厚达到数十纳米之后，薄膜的电阻率会出现极快的降低；多晶薄膜因为其晶界的接触电阻比较大从而会使得它的电阻比单晶薄膜的大。当t远大于λf时刻，体材料的电阻率将会和薄膜的电阻率差别不大，但是体材料的电阻率会小于薄膜的电阻率。
（3）电阻温度系数。膜厚t也会影响到薄膜的电阻温度系数，当t小于数十纳米时电阻温度系数呈负数，而大于数十纳米时候呈正数。
（4）密度。一般的来讲，体原料的密度会比薄膜密度大。
（5）时效变化。制成薄膜之后，薄膜的一些性质会跟着时间的推移而发生改变；等一定时间过去后或在高温条件下放置一段时间之后，这种变化会趋向平稳。
绝大多数的固体材料都可以被制做成薄膜，因为薄膜很薄，通常情况下只有几十纳米到微米级，所以要基底的支撑。薄膜和基底是连接紧密的，薄膜生长在基底上，彼此之间互相作用，薄膜中的一面附着在基底材料上，会受到约束从而出现内应力。薄膜极为重要的固有特征就是附着力和内应力，附着力与内应力的具体大小不仅仅和薄膜，基底的本质有关，还由制膜的工艺条件所决定。在单晶的基底上可以成长外延薄膜，在硬质合金和高速钢的表面上可以生长出硬质薄膜。
对于气相生长薄膜的形成，其大致上可分成形核和生长两个过程。当基材的表面成功吸附外来原子之后，相近的原子之间的距离缩小，被吸附到表面的原子在扩散在基底表面，相互产生作用，吸附原子会变得有序化，随后生成亚稳状态的临界核，然后核长大，形成了岛或者迷津的结构。岛的扩展接合会形成了连续膜，岛的接合过程中，岛会发生移动及转动，用来调整岛与岛之间的结晶方向。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1选题的理论意义 1
1.2薄膜的基本信息 1
1.3 ZrN薄膜 3
1.3.1纳米复合膜 3
1.3.2 纳米多层膜 4
1.3.3 ZrN薄膜的特性 5
1.3.4常见几种薄膜制备方法 6
1.3.5 ZrN薄膜的应用 7
1.3.6 Si元素在ZrN薄膜中的作用 9
1.4摩擦磨损理论 9
1.4.1摩擦理论 磨损分类 9
1.4.2影响摩擦的因素 11
1.5本课题的研究内容和方法 13
第二章 实验对象及实验器材 14
2.1 ZrN薄膜 ZrSiN薄膜 14
2.2实验仪器 14
第三章 实验结果分析 21
3.1 薄膜微观结构分析 22
3.2薄膜的力学性能（硬度）分析 25
3.3薄膜摩擦磨损分析 26
3.4 本章总结 29
结 论 31< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
br /> 致 谢 32
参考文献 33
绪 论
1.1 选题的理论意义
现如今表面薄膜技术在改良材料性能方面起到了很重要的作用，尤其是硬质涂层可以提高基体材料的表面力学性能以及其化学稳定性能。硬质涂层中就包括了过渡族金属氮化物如TiN，ZrN。氮化物与基体的结合力较高，有优良的耐磨耐腐蚀能力。TiN有着较高的硬度，熔点，耐磨耐腐蚀能力，不仅仅可以作为耐磨涂层应用于磨具和切削刀具的表面强化，也可以应用于表面腐蚀和装饰[1]。随着切削加工业的发展，对于刀具的要求也更高，因此传统的二元薄膜已经不能满足切削要求，所以向薄膜中添加其他元素可改善薄膜的显微结构与综合性性能。向TiN薄膜中添加Mo，C等元素可以使得薄膜多元化，改变其微结构，因而降低它的摩擦因数，提高综合性能。向ZrN薄膜中添加Al，Si元素可以提高硬度与抗氧化性能。ZrN薄膜与TiN薄膜相比，具有更好的力学性能，热稳定性，抗氧化性能以及化学稳定性，还有ZrN薄膜拥有金黄色的色泽以及良好的耐腐蚀性能，但是同时ZrN的抗氧化温度较低，限制了它的应用。我们在考据其他薄膜时发现，在TiN薄膜中添加了Si形成的TiSiN复合薄膜，显著提高了薄膜的硬度以及它的抗氧化温度。Zr与Ti在元素周期表中属于同一族，它们在性能以及结构上近似，在Zr基薄膜中添加 Si 有可能会获得与Ti基薄膜中 Si的添加一样的成果[2]。所以这次实验通过在ZrN薄膜中添加Si，然后进行非平衡磁控溅射制备出一系列的Zr1xSixN薄膜，研究不同的Si的含量对于薄膜的成分，显微结构，摩擦磨损性能，高温抗氧化性以及力学性能的不同的影响。
1.2 薄膜的基本信息
薄膜可以定义为：根据不同的需要，通过特殊的制备方法，于基体的表面形成厚度达到亚微米到微米级的膜层[3]。从原子的尺寸角度来看，薄膜的表面会呈现出不连续性，高低上的不平，薄膜内部会出现有空位以及位错等缺陷，并且会混入杂质。通过工艺方式上的不一样，对工艺参数的掌控，可以获得结构不同的薄膜，如单晶薄膜，非晶态薄膜，多晶薄膜，亚微米级的超薄膜以及晶体取向外延薄膜等。
薄膜的基本性质：
力学性质。薄膜的弹性模量很接近基体材料，但是其抗拉强度很明显大于体材料，有的能达到基体材料的200倍左右。这是因为薄膜内部有着高密度缺陷。
（2）导电性。电子的平均自由程λf和薄膜的膜厚t会影响到薄膜的导电性。当t小于λf时：岛状结构的薄膜，其电阻率将特别大；当膜厚达到数十纳米之后，薄膜的电阻率会出现极快的降低；多晶薄膜因为其晶界的接触电阻比较大从而会使得它的电阻比单晶薄膜的大。当t远大于λf时刻，体材料的电阻率将会和薄膜的电阻率差别不大，但是体材料的电阻率会小于薄膜的电阻率。
（3）电阻温度系数。膜厚t也会影响到薄膜的电阻温度系数，当t小于数十纳米时电阻温度系数呈负数，而大于数十纳米时候呈正数。
（4）密度。一般的来讲，体原料的密度会比薄膜密度大。
（5）时效变化。制成薄膜之后，薄膜的一些性质会跟着时间的推移而发生改变；等一定时间过去后或在高温条件下放置一段时间之后，这种变化会趋向平稳。
绝大多数的固体材料都可以被制做成薄膜，因为薄膜很薄，通常情况下只有几十纳米到微米级，所以要基底的支撑。薄膜和基底是连接紧密的，薄膜生长在基底上，彼此之间互相作用，薄膜中的一面附着在基底材料上，会受到约束从而出现内应力。薄膜极为重要的固有特征就是附着力和内应力，附着力与内应力的具体大小不仅仅和薄膜，基底的本质有关，还由制膜的工艺条件所决定。在单晶的基底上可以成长外延薄膜，在硬质合金和高速钢的表面上可以生长出硬质薄膜。
对于气相生长薄膜的形成，其大致上可分成形核和生长两个过程。当基材的表面成功吸附外来原子之后，相近的原子之间的距离缩小，被吸附到表面的原子在扩散在基底表面，相互产生作用，吸附原子会变得有序化，随后生成亚稳状态的临界核，然后核长大，形成了岛或者迷津的结构。岛的扩展接合会形成了连续膜，岛的接合过程中，岛会发生移动及转动，用来调整岛与岛之间的结晶方向。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/hxycl/jscl/206.html
