氮含量对溅射离子镀TiN镀层微观结构和摩擦学性能的影响文献综述

 2021-10-06 13:58:25

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文献综述

1.前言

表面工程是改善机械零件、电子电器元件等基质材料表面性能的一门工程技术学科。统计结果表明：世界钢材的10%因腐蚀而损失，机电产品失效原因的70%属于腐蚀和磨损，机电产品制造和使用中约1/3的能源直接消耗于摩擦磨损。2003年中国工程院发布腐蚀调查报告：2002年全国因腐蚀造成损失约6000亿元，占当年GDP的5%。2007年中国工程院发布摩擦学调查报告：2006年全国因摩擦磨损造成的损失高达9500亿元，占当年GDP的4.5%。这些损失的原因关键在表面：磨损在表面发生，腐蚀从表面开始，疲劳损伤由表面延伸。因此，应当掌握零部件、元器件表面失效规律，采取工程技术措施，提高其表面性能，预防和减缓表面失效。充分利用表面工程研究成果对节能、节材、保护环境具有重要意义[1]。

本世纪60年代，由于高新技术兴起对优质功能材料薄膜的需求，加之相关学科的发展，使溅射制膜法重新受到重视并得以不断完善[2]。磁控溅射TiN镀层是最早实现工业化应用的硬质镀层之一，该镀层具备较高的硬度、耐磨性和耐高温性能，广泛应用于切屑刀具表面镀膜。本课题通过脉冲磁控溅射制备TiN镀层，研究氮含量对TiN镀层微观结构和摩擦学性能的影响，为后续深入研究TiN镀层结构与性能的关系作参考。

2.磁控溅射离子镀

2.1等离子体概述

当物质的温度从低到高变化时，物质将逐次经历固体、液体和气体三种状态；当温度近一步升高时，气体中的原子、分子将出现电离状态、形成电子、离子组成的体系，这种由大量带电粒子(有时还有中性粒子)组成的体系便是等离子体。等离子体是区别于固体、液体和气体的另一种物质存在状态，故又称为物质第四态。溅射的本质就是气体放电等离子体中正离子轰击靶材使靶材原子飞出靶材，从而沉积到基体表面。

2.2典型溅射方法

直流溅射是最简单的溅射方法。常用平行板型装置，在真空室内以欲镀材料为阴极，基片放在阳极上，予抽至高真空后，充入工作气体并维持气压在10Pa左右。两极间加1~2kV直流高压，产生电流密度为0.1~5mA/cm2的异常辉光放电。放电气体的离子受阴极暗区电位降加速轰击靶表面，溅射粒子沉积在基片表面成膜。

射频溅射是利用射频放电等离子体进行溅射的一类方法。射频溅射现象早在1933年就被发现了，但直到60年代才开始用于制膜目的。一个突出的优点是不仅可溅射金属靶，也可溅射绝缘靶。可以把导体、半导体、绝缘体中的任意材料薄膜化。

在上述直流溅射或射频溅射墓础上，如果利用反应性气体放电，使等离子体中的活性物种与溅射粒子进行化学反应来生成化合物薄膜，就叫反应性溅射。这种方法特别适于沉积氧化物、氮化物、碳化物、硫化物等各种化合物薄膜，从而为制备光、电、声、磁等功能材料薄膜开辟了一条广阔途径[3]。

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