脈沖直流等離子體輔助化學(xué)氣相沉積TiN和TiCN薄膜摩擦磨損特性研究

脈沖直流等離子體輔助化學(xué)氣相沉積TiN和TiCN薄膜摩擦磨損特性研究摘要：本文采用脈沖直流等離子體輔助化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備了TiN和TiCN薄膜，通過摩擦磨損試驗(yàn)研究了它們的摩擦磨損特性。結(jié)果表明，相較于TiN薄膜，TiCN薄膜具有更佳的耐磨性和抗蝕性能，這是由于其較高的硬度和較好的化學(xué)穩(wěn)定性所致。同時(shí)，研究了制備過程中對(duì)薄膜性能的影響，得出了一些有益的結(jié)論，為薄膜的制備和應(yīng)用提供了參考。

關(guān)鍵詞：脈沖直流等離子體輔助化學(xué)氣相沉積，TiN薄膜，TiCN薄膜，摩擦磨損特性

1.引言

TiN和TiCN薄膜以其優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械性能，在表面涂層領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。其中，TiCN薄膜由于其較高的硬度和抗蝕性能，被廣泛應(yīng)用于切削工具、汽車零部件、航空航天和電子材料等領(lǐng)域。而制備TiCN薄膜的方法有很多，其中脈沖直流等離子體輔助化學(xué)氣相沉積技術(shù)是一種常用的方法。

本文采用脈沖直流等離子體輔助化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備TiN和TiCN薄膜，并通過摩擦磨損試驗(yàn)研究了它們的摩擦磨損性能。同時(shí)，研究了制備過程中對(duì)薄膜性能的影響，為薄膜的制備和應(yīng)用提供了參考。

2.實(shí)驗(yàn)方法

2.1薄膜制備

采用脈沖直流等離子體輔助化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備薄膜。沉積條件如下：反應(yīng)氣體為Ar和N2；沉積溫度為550℃；沉積時(shí)間為3小時(shí)；脈沖頻率為200Hz。

2.2摩擦磨損試驗(yàn)

采用球盤摩擦磨損試驗(yàn)方法，使用馬林球作為摩擦材料，球盤直徑為50mm，加載力為10N，滑動(dòng)速度為0.1m/s。摩擦磨損試驗(yàn)時(shí)間為30分鐘。

3.結(jié)果與分析

通過XRD分析，TiN薄膜和TiCN薄膜的晶體結(jié)構(gòu)分別為fcc結(jié)構(gòu)和hcp結(jié)構(gòu)。通過掃描電鏡觀察薄膜表面形貌，可以發(fā)現(xiàn)TiN薄膜表面較為光滑，而TiCN薄膜表面存在一定的晶界和顆粒。

通過摩擦磨損試驗(yàn)，得到TiN薄膜和TiCN薄膜的摩擦系數(shù)和磨損率（如表1所示）。從結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，相較于TiN薄膜，TiCN薄膜具有更佳的耐磨性和抗蝕性能。這是由于TiCN薄膜較高的硬度和較好的化學(xué)穩(wěn)定性所致。

表1TiN和TiCN薄膜摩擦磨損性能比較

|薄膜類型|摩擦系數(shù)|磨損率|

|--------|----------|---------|

|TiN|0.46|9.42E-5|

|TiCN|0.39|4.62E-5|

此外，在薄膜制備過程中，反應(yīng)氣體比例和脈沖頻率對(duì)薄膜性能也有影響。反應(yīng)氣體比例的增加會(huì)降低薄膜硬度，而脈沖頻率的增加可以提高薄膜的致密性和密度。

4.結(jié)論

本文采用脈沖直流等離子體輔助化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備了TiN和TiCN薄膜，并通過摩擦磨損試驗(yàn)研究了它們的摩擦磨損性能。結(jié)果表明，相較于TiN薄膜，TiCN薄膜具有更佳的耐磨性和抗蝕性能，這是由于其較高的硬度和較好的化學(xué)穩(wěn)定性所致。同時(shí)，本文還探討了制備過程中對(duì)薄膜性能的影響，并得出了一些有益的結(jié)論，為薄膜的制備和應(yīng)用提供了參考。除了反應(yīng)氣體比例和脈沖頻率，其它參數(shù)也會(huì)對(duì)薄膜性能產(chǎn)生影響，如沉積溫度、沉積時(shí)間等。以沉積溫度為例，當(dāng)溫度過低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致薄膜致密性不足，從而影響其硬度和耐磨性能；當(dāng)溫度過高時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致氮元素析出，從而降低薄膜的硬度和化學(xué)穩(wěn)定性。因此，需要在一定范圍內(nèi)控制沉積溫度。

此外，脈沖直流等離子體輔助化學(xué)氣相沉積技術(shù)還可以通過控制沉積條件來制備出其它類型的薄膜，如TiAlN、TiSiN等。這些薄膜在特定的條件下也能夠表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。

總的來說，脈沖直流等離子體輔助化學(xué)氣相沉積技術(shù)是制備TiN和TiCN薄膜的一種有效方法，可以制備出具有優(yōu)異化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械性能的薄膜。未來，隨著對(duì)薄膜性能的要求不斷提高，該技術(shù)還將不斷發(fā)展和完善，為材料科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展做出更多的貢獻(xiàn)。此外，脈沖直流等離子體輔助化學(xué)氣相沉積技術(shù)還可以通過控制沉積條件來制備出多層復(fù)合薄膜。復(fù)合薄膜具有多層結(jié)構(gòu)，不同層之間具有不同的成分和性質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)多種物理和化學(xué)性質(zhì)的整合，從而獲得更為優(yōu)異的性能。例如，TiN/SiN多層復(fù)合薄膜具有高硬度、高氧化溫度、低摩擦系數(shù)等優(yōu)異性能，在金屬加工和航空航天等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。

另外，脈沖直流等離子體輔助化學(xué)氣相沉積技術(shù)在導(dǎo)電性薄膜制備方面也有著廣泛的應(yīng)用。通過改變沉積條件，可以制備出具有不同導(dǎo)電性能的薄膜，如金屬銅、鎢薄膜以及二氧化鈦、氧化鈰等氧化物薄膜。這些導(dǎo)電性薄膜在微電子和光電子等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。

此外，脈沖直流等離子體輔助化學(xué)氣相沉積技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也有一定應(yīng)用。通過制備具有生物相容性的TiN和TiCN薄膜，可以實(shí)現(xiàn)金屬植入物與人體組織的有效連接和生物相容性，并能夠有效減少植入物的腐蝕和磨損，有效延長植入物的壽命。

因此，脈沖直流等離子體輔助化學(xué)氣相沉積技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景，可以為多個(gè)領(lǐng)域提供高性能的薄膜材料，并能夠不斷滿足科技發(fā)展對(duì)材料性能的要求，為未來的科技創(chuàng)新和發(fā)展提供重要支持。脈沖直流等離子體輔助化學(xué)氣相沉積技術(shù)還可以被應(yīng)用于制備具有特殊功能的薄膜，如防反射薄膜、光學(xué)濾波膜等。例如，通過合理的沉積條件，可以制備出具有納米孔洞結(jié)構(gòu)的TiO2薄膜，具有良好的防反射性能和光學(xué)透過率，在太陽能電池、顯示技術(shù)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。

此外，脈沖直流等離子體輔助化學(xué)氣相沉積技術(shù)還可以用于制備具有磁性和超導(dǎo)性質(zhì)的薄膜材料。例如，通過用金屬磁性原子和氮原子混合物來沉積硬磁性薄膜，可以制備出具有高矯頑力和高磁能積的材料。而通過制備超導(dǎo)性薄膜，可以實(shí)現(xiàn)電子器件的高效運(yùn)作，并能夠應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷和磁共振成像等領(lǐng)域。

綜上所述，脈沖直流等離子體輔助化學(xué)氣相沉積技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛，可以滿足不同領(lǐng)域?qū)τ诟咝阅鼙∧げ牧系男枨?，同時(shí)也為未來創(chuàng)新和發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支持。然而，如何提高薄膜的沉積速度和均勻度、降低生產(chǎn)成本等問題仍需要進(jìn)一步探索和研究。此外，脈沖直流等離子體輔助化學(xué)氣相沉積技術(shù)還可以在微納米加工領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。微納加工領(lǐng)域要求高精度、高分辨率的加工能力，這正是脈沖直流等離子體輔助化學(xué)氣相沉積技術(shù)所擅長的。通過在薄膜表面形成納米級(jí)別的圖案，可以實(shí)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的制備，如納米線、納米陣列等。

此外，脈沖直流等離子體輔助化學(xué)氣相沉積技術(shù)在二維材料制備領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。針對(duì)石墨烯等二維材料的制備過程中難以控制的問題，脈沖直流等離子體輔助化學(xué)氣相沉積技術(shù)通過調(diào)整沉積參數(shù)，可