磁控溅射制备氮化钛及其复合薄膜材料的耐腐蚀性研究

论文摘要

本文阐述了用反应磁控溅射方法制备氮化钛及其复合薄膜（镀层）的发展历史;综述了氮化钛薄膜的结构、性能和应用;分析了（Ti, Al）N复合薄膜相对于氮化钛薄膜的优势,并指出了其发展方向;总结了目前氮化钛及其复合薄膜的主要制备方法和主要的表征手段。在此基础上选用直流反应磁控溅射的方法在不锈钢和铁基体上成功地沉积了氮化钛及其复合薄膜。通过摸索实验参数,得到了不同组织结构和性能的薄膜。对所制备的薄膜开展了电化学试验,分析了制备条件对薄膜耐蚀性的影响,研究了复合薄膜对氮化钛防腐性能的改善作用,理论分析了复合膜的微观结构,探讨了其提高氮化钛防腐性能的微观机理。本文首先考察了磁控溅射的镀膜原理,阐述了不同制备条件下氮化钛薄膜的不同性能;正交实验给出了制备条件对膜宏观性质的影响以及制备最佳宏观评价值的膜的条件;应用电化学原理,在3.5%的NaCl和1mol/L的H2SO4溶液中对薄膜进行了电化学腐蚀试验。实验结果表明:（1）氮化钛极大地改善了基体的防腐性能,尤其极大地提高了基体在1mol/L的H2SO4溶液中的耐蚀性;（2）氮流量、溅射功率、基体温度等实验参数对改善薄膜的自腐蚀电位、电流密度、腐蚀速率、失重比、极化电阻、塔法尔斜率等电化学参数有很大影响;通过分析原因,给出了反应磁控溅射制备防腐薄膜的最佳条件参数。深入探讨了（Ti, Al）N复合薄膜优良的耐蚀性,认为其耐蚀性是由于Al的掺杂而改变了氮化钛的结构,使其柱状晶的晶格常数变小,点腐蚀现状得以改善。电化学实验进一步表明:（1）氮化钛及其复合薄膜确实改善了基体的电化学性能,最高可使腐蚀电位提高500mV,腐蚀电流密度减小约为原来的10倍,极化电阻提高约15倍,腐蚀速率降低约90倍,从而提高了基体的耐腐蚀性;（2）复合膜改善了单层膜的晶体结构,使膜层致密,自腐蚀电位比单层膜提高400mV,极大地提高了膜的耐蚀性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 氮化钛的国内外研究现状和本课题的研究内容和拟解决的关键问题
• 1.1.1 氮化钛的国内外研究现状
• 1.1.2 本课题的研究内容
• 1.2 氮化钛薄膜的制备方法
• 1.2.1 化学气相沉积技术
• 1.2.2 物理气相沉积技术
• 1.3 氮化钛薄膜的应用
• 1.3.1 在仿金行业的应用
• 1.3.2 在机械领域的应用
• 1.3.3 在临床医学领域的应用
• 1.3.4 其它方面的应用
• 1.4 钛及其氮化物的防腐性能
• 1.4.1 钛的防腐性
• 1.4.2 氮化钛优异的化学稳定性
• 第二章 薄膜及其制备和防腐原理简介
• 2.1 薄膜的生长原理
• 2.1.1 薄膜生长及过程
• 2.1.2 影响薄膜生长的因素
• 2.2 磁控溅射制备薄膜原理
• 2.2.1 溅射机理和基本溅射类型
• 2.2.2 磁控溅射原理及基本类型
• 2.3 腐蚀与防护机理
• 2.3.1 腐蚀和金属腐蚀的概念及腐蚀的实质
• 2.3.2 腐蚀的分类
• 2.3.3 腐蚀的防护方法
• 第三章 磁控溅射制备氮化钛薄膜及膜性能评价
• 3.1 薄膜制备前的准备
• 3.1.1 基片前处理
• 3.1.2 靶材的制备
• 3.1.3 溅射率是制备复合靶的主要依据
• 3.2 直流反应磁控溅射制备氮化钛薄膜
• 3.2.1 氮化钛制备的实验设备、工艺流程及实验材料
• 3.2.2 薄膜制备过程
• 3.2.3 实验参数设计
• 3.3 正交实验
• 3.3.1 正交实验的设计
• 3.3.2 正交实验的结果与讨论
• 3.3.3 正交实验结果的原因分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 氮化钛薄膜的电化学试验
• 4.1 电化学原理简介
• 4.1.1 电化学分析定义和特点
• 4.1.2 电化学分析法分类和应用
• 4.1.3 极化曲线的相关理论
• 4.1.4 塔法尔关系及塔菲尔斜率测量理论
• 4.2 电化学表征实验
• 4.2.1 电化学试验装置和过程
• 4.2.2 电化学试验的内容
• 4.3 氮化钛薄膜对基底耐腐蚀的改善
• 4.3.1 氮化钛在NaCl介质中的极化曲线的测量
• 2SO₄介质中极化曲线的测量'>4.3.2 氮化钛在H₂SO₄介质中极化曲线的测量
• 4.4 制备条件对氮化钛防腐性能的影响
• 4.4.1 氮流量对防腐性能的影响
• 4.4.2 基体温度对防腐性能的影响
• 4.4.3 功率对防腐性能的影响
• 4.4.4 其他条件对防腐性能的影响
• 4.5 制备条件参数影响薄膜防腐性能的机理分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 氮化钛复合膜对防腐性能的改善
• 5.1 氮化钛复合膜的制备
• 5.2 氮化钛复合膜的电化学极化曲线测量
• 5.3 复合膜改善防腐性的微观原理分析
• 5.4 薄膜的防护特性
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢