氧化铬薄膜的生长机理及力学性能表征

论文摘要

本论文采用射频反应磁控溅射方法制备了氧化铬硬质薄膜,利用X射线、X光电子能谱（XPS）、扫描电镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、透射电镜（TEM）研究了氧化铬薄膜微观结构及生长机理,并综合利用纳米力学测试系统、UMT显微力学测试系统研究了薄膜的微观结构与力学性能之间的相关性。本论文所获得的研究成果如下:（1）通过射频反应磁控溅射技术制备出均匀、致密的氧化铬薄膜,并且通过添加铬金属过渡层有效降低了薄膜的内应力,从而制备出厚度10μm以上的单层氧化铬薄膜。（2）薄膜的微观结构依赖于溅射过程的沉积参数。当氧气流量较低时薄膜呈非晶态;随着氧气流量的增加,薄膜的结构由非晶态向柱状结构转化,柱状晶的尺寸随薄膜厚度的增加而增加;同时随氧气流量的增加其力学性能也随之变化,硬度、弹性模量、耐磨性提高,但是薄膜与基体的粘结强度降低。（3）无论在薄膜与过渡层,还是在过渡层与基体之间都存在一层50-120 nm厚的非晶层。研究发现,非晶层的存在对薄膜微观结构和力学性能产生显著的影响,非晶层能够抑制薄膜柱状晶的长大,从而改善表面的粗糙度,提高薄膜的力学性能。在钢基体与铬过渡层的界面处探测到Fe-Cr中间相的存在。（4）对完全非晶态的薄膜进行热处理时发现,在480℃左右薄膜发生非晶态向晶态的相变,在高于相变温度进行热处理,薄膜的结构发生变化并使薄膜的硬度、弹性模量及耐磨性提高,但随着保温时间的延长,薄膜晶粒尺寸增大,其硬度有所下降。（5）与单层氧化铬薄膜相比,在相同沉积条件下制备的多层Cr/Cr2O3薄膜的力学性能有所不同,主要体现在硬度、弹性模量的提高以及膜基粘结强度、断裂韧性的改善。（6）在微观磨损条件下水环境中薄膜的摩擦系数较空气中有所提高,耐磨性下降明显。当水分子到达界面参与界面反应时,薄膜与基体的粘结强度显著降低。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 概述
• 1.1 真空镀膜技术
• 1.1.1 真空镀膜技术综述
• 1.1.2 溅射技术的进展
• 1.1.3 反应磁控溅射技术的研究
• 1.1.4 薄膜结构及性能的表征、评价技术
• 1.1.5 薄膜中的缺陷
• 1.2 氧化铬薄膜
• 1.2.1 氧化铬材料的晶体结构和用途
• 1.2.2 氧化铬薄膜的研究现状
• 1.2.3 力学性质
• 1.2.4 光学性质
• 1.2.5 摩擦、磨损性能
• 1.2.6 氧化铬薄膜研究中存在的问题
• 2 沉积参数对薄膜微观结构和力学性能的影响
• 2.1 引言
• 2.2 实验过程
• 2.3 实验结果及讨论
• 2.3.1 氧气流量对薄膜微观结构的影响
• 2.3.2 力学性能与微观结构的相关性
• 2.3.3 氧气流量对等离子体光谱的影响
• 2.4 本章小结
• 3 膜基界面的微观结构
• 3.1 引言
• 3.2 实验过程
• 3.3 实验结果及讨论
• 2O₃薄膜的界面研究'>3.3.1 单层 Cr/Cr₂O₃薄膜的界面研究
• 2O₃的界面研究'>3.3.2 多层 Cr/Cr₂O₃的界面研究
• 3.3.3 梯度过渡薄膜的探索
• 3.3.4 薄膜的生长过程讨论
• 3.4 本章小结
• 4 热处理对薄膜微观结构及力学性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 实验过程
• 4.3 实验结果及讨论
• 4.3.1 热处理对薄膜微观结构的影响
• 4.3.2 热处理对薄膜力学性能的影响
• 4.3.3 热处理对界面的影响
• 4.4 本章小结
• 5 环境对薄膜力学性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 实验过程
• 5.3 实验结果及讨论
• 5.3.1 水对氧化铬薄膜粘结强度、摩擦磨损性能的影响
• 5.3.2 水对金薄膜摩擦磨损性能的影响
• 5.4 本章小结
• 6 结论
• 参考文献
• 致谢