實(shí)驗(yàn)10 薄膜材料的制備及性能檢測

1、實(shí)驗(yàn)十 薄膜材料的制備及性能檢測一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解磁控濺射的原理及儀器裝置、操作方法。2通過實(shí)驗(yàn)掌握涂層性能分析的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。二、 實(shí)驗(yàn)原理用于轟擊靶材的荷能粒子可以是電子、離子或中性粒子，因?yàn)殡x子在電場下易于加速并獲得所需要的動能，因此大多數(shù)采用離子作為轟擊粒子。離子轟擊靶材時(shí)將靶面原子擊出的現(xiàn)象稱為濺射。所以濺射鍍膜就是指在真空中利用荷能粒子轟擊靶材表面，使被轟擊出的粒子沉積在基片上，在基底上形核生長形成薄膜的過程的一種技術(shù)。通常，利用低壓惰性氣體輝光放電來產(chǎn)生入射離子。鍍膜時(shí)，靶材為陰極，基材為陽極，真空室中一般為0.1-10Pa的Ar氣或其它惰性氣體（一般選擇Ar氣作為濺射氣體）。20

2、世紀(jì)三四十年代首次利用濺射鍍膜技術(shù)成功制備了薄膜，且在六七十年代實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，尤其在近幾十年內(nèi)，濺射鍍技術(shù)發(fā)展迅速，利用該技術(shù)制備的新型材料也數(shù)不勝數(shù)。目前濺射方法很多，主要有二級濺射、三級或四級濺射、磁控濺射、對靶濺射、射頻濺射、偏壓濺射、非對稱交流射頻濺射、離子束濺射以及反應(yīng)磁控濺射等。磁控濺射的工作原理是指電子在電場E的作用下，在飛向基材的過程中與Ar氣氣體分子發(fā)生碰撞，使其電離產(chǎn)生出Ar+ 和新的電子；新電子飛向基材，Ar+在電場作用下加速飛向陰極靶，并以高能量轟擊靶材表面，使靶材發(fā)生濺射。被濺射出的粒子中，中性的靶材原子或分子沉積在基材表面生成薄膜，而產(chǎn)生的二次電子會受到電場和磁場

3、作用，在E（電場）×B（磁場）所指的方向漂移，簡稱E×B漂移，其運(yùn)動軌跡近似于一條擺線。若為環(huán)形磁場，則電子就以近似擺線形式在靶材表面做圓周運(yùn)動，它們的運(yùn)動路徑不僅很長，而且被束縛在靠近靶材表面的等離子體區(qū)域內(nèi)，并且在該區(qū)域中電離出大量的Ar+ 來轟擊靶材，從而實(shí)現(xiàn)了高速沉積。隨著碰撞次數(shù)的增加，二次電子的能量消耗殆盡，逐漸遠(yuǎn)離靶材表面，并在電場E的作用下最終沉積在基材表面。由于該電子的能量很低，傳遞給基材的能量很小，致使基材溫升較低。 磁控濺射是入射粒子（如Ar+）和靶原子的碰撞過程。入射粒子在靶中經(jīng)歷復(fù)雜的散射過程，和靶原子碰撞，把部分動能傳遞給靶原子，而此靶原子又與其

4、他靶原子碰撞，形成級聯(lián)效應(yīng)，在這種級聯(lián)效應(yīng)中某些獲得足夠向外運(yùn)動動能的靶材表面靶原子就會離開靶材表面被濺射出來。三 試驗(yàn)方法3.1 實(shí)驗(yàn)材料實(shí)驗(yàn)分別選用1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼、K38G高溫合金和馬氏體熱作模具鋼材料H13鋼（4Cr5MoSiV1）為基體材料，將實(shí)驗(yàn)材料用電火花線切割成15mm×10mm×2mm的片狀樣品。3.2 實(shí)驗(yàn)前基體試樣的預(yù)處理基體試樣在放入真空腔前須經(jīng)過嚴(yán)格的清潔處理，去除基體表面粘附的各種油污、粉刺、汗?jié)n等污物來保證涂層的純度和結(jié)合強(qiáng)度等?；w前期預(yù)處理步驟為：首先將線切割加工的試樣進(jìn)行機(jī)械研磨或拋光處理，然后將打磨好的樣品放在丙酮溶液中

5、超聲清洗，隨后將丙酮清洗過的樣品用無水乙醇超聲清洗，干燥后待用。為了進(jìn)一步提高涂層的綜合性能，試樣放入真空室后在膜層物質(zhì)沉積之前還需要對樣品進(jìn)行清洗，具體過程是：首先使用高能離子對試樣進(jìn)行轟擊以進(jìn)一步清除試樣表面的氧化皮及其他污染物，然后將預(yù)濺射后的靶材在低功率下同時(shí)對樣品進(jìn)行轟擊，進(jìn)一步提高樣品的表面活化能。離子轟擊前先將Ar氣引入真空腔，真空室內(nèi)壓力為1Pa左右，轟擊時(shí)采用脈沖偏壓，其偏壓值為-800V左右。3.3 涂層沉積CrN涂層的制備采用沈陽科友真空技術(shù)有限公司的FDJ700型高真空多功能薄膜沉積設(shè)備的閉合場非平衡磁控濺射離子鍍系統(tǒng)。沉積工藝如下：抽真空系統(tǒng)加熱（充入Ar氣，輝光放電

6、）高能離子轟擊去除基體表面氧化皮和其他污物及預(yù)濺射沉積Cr結(jié)合層通N2，開始沉積涂層降溫后取出樣品。所有實(shí)驗(yàn)用的靶材都使用直流電源模式，真空室內(nèi)施加的偏壓均為脈沖模式，工作氣壓0.5Pa，本底壓力10-4Pa。3.5顯微結(jié)構(gòu)表征3.5.1形貌觀察通過觀察微觀組織形貌可以了解物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)所決定的外部幾何特征，包括表面形貌、截面形貌和金相組織特征。涂層的微觀形貌有助于分析其生長機(jī)理及物理性能等。本實(shí)驗(yàn)中涂層的表、截面形貌是在場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM， Zeiss Sigma，Germany）上獲得的。其中，通過截面形貌可以計(jì)算所沉積涂層的厚度。3.5.2 成分分析對于涂層整體的化學(xué)成分分析

7、，常常解釋不了鍍層性能和工藝之間的關(guān)系。只有了解化學(xué)成分在微區(qū)空間的分布，才能描述其顯微組織。這種微區(qū)空間化學(xué)元素的分布狀態(tài)，可以通過深度分析和涂層截面分析兩種途徑獲得。常用的表面和深度分析方法有能譜(EDS)、俄歇電子能譜(AES)、電子探針(EPMA)和光電子能譜(XPS)等。本實(shí)驗(yàn)使用能譜(EDS)分析涂層的元素組成。3.5.3 物相分析X射線衍射是測定物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)的最常用方法，它具有精度高、方法簡單等特點(diǎn)，利用它可用來分析涂層的相組成及其晶體結(jié)構(gòu)、晶粒的尺寸分布及晶面擇優(yōu)取向等。它給出的結(jié)果是整個(gè)涂層信號的疊加，通常還包括基體的衍射峰。X射線衍射的原理是描述晶體原子平面進(jìn)行X射線散射的

8、相干涉條件滿足Bragg方程： 式中，為入射X射線波長，d為晶面間距，為衍射角，即入射角。本實(shí)驗(yàn)中采用XRD（Shimadzu XRD-6100，Japan）分析了基體及涂層基體的相組成及晶面擇優(yōu)取向。選用Cu靶X射線管，電壓40kv，電流30mA，連續(xù)掃描模式，掃描速度3°/min，掃描角度10-80°，步長0.03°。在進(jìn)行物相分析時(shí)只需要將所測得的圖樣的相與標(biāo)準(zhǔn)卡相進(jìn)行對照，如果所測樣品的圖樣的d和I值能與標(biāo)準(zhǔn)卡片很好的吻合，就可以認(rèn)定試樣的物相就是該標(biāo)準(zhǔn)樣物相。但是標(biāo)準(zhǔn)卡片數(shù)量大，對照工作復(fù)雜，需要借助索引來查找。3.6 性能測試3.6.1 結(jié)合力劃痕試驗(yàn)

9、結(jié)果輸出圖本論文中涂層的結(jié)合力是在多功能材料表面性能試驗(yàn)儀（MFT-4000，蘭州華匯儀器科技有限公司）上測量的，該劃痕試驗(yàn)機(jī)由自動加載劃痕系統(tǒng)、聲發(fā)射監(jiān)聽記錄裝置以及控制微機(jī)組成。該設(shè)備利用聲發(fā)射信號來檢測劃痕信息，可以設(shè)定不同的加載速率和劃痕速度，配合聲發(fā)射監(jiān)聽測定臨界載荷值。金剛石壓頭錐角120°，曲率半徑0.2mm。3.6.2 顯微硬度本論文中涂層的硬度是在數(shù)字式顯微硬度計(jì)（MH-50，上海恒一精密儀器有限公司）上測量的。為得到準(zhǔn)確的硬度值，選用三種不同載荷，分別打三個(gè)點(diǎn)，取平均值，利用上文所述理論，得出最接近理論值的硬度值，測量方法如下圖所示，載荷分別為10、25、50gf，加載時(shí)間為15s。壓痕對角線越短，硬度越高。10mCrN涂層在不同載荷下的壓痕形貌四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果CrN涂層的XRD圖譜從圖中可以看出：CrN涂層中主要含有金屬Cr、orth-CrN和少量的Cr2N。CrN涂層的表面形貌（a）和截面形貌（b）上圖給出了CrN涂層的表面形貌和截面形貌。從圖中可以看出，涂層為等軸晶，結(jié)構(gòu)致密，表面色澤均勻一致。涂層厚度約5m，斷面組織無明顯裂紋、空隙等缺陷，涂層與基體界面整齊且清晰可見，這保證了涂層與基體之間的良好的結(jié)合力。劃痕實(shí)驗(yàn)后CrN涂層的劃痕形貌及聲信號