1.5选题意义及研究内容 9

1.5.1选题意义 9

1.5.2研究内容 9

第二章 薄膜的制备及表征 10

2.1引言 10

2.2反应磁控溅射设备 10

2.3薄膜的制备过程 10

2.3.1薄膜的基片处理 10

2.3.2薄膜的制备参数 11

2.4薄膜的性能测试方法 11

2.4.1X射线光电子能谱仪(XPS) 11

2.4.2X射线衍射仪(XRD) 11

2.4.3高分辨率透射电子显微镜(HRTEM) 12

2.4.4纳米力学综合测试系统 12

2.4.5高温摩擦磨损试验机、轮廓仪、能谱仪 14

第三章 结果与讨论 15

3.1引言 15

3.2薄膜的微观结构 15

3.3薄膜的硬度和断裂韧性 18

3.4薄膜的摩擦磨损性能 22

结 论 26

致 谢 27

参考文献 28

第一章 绪论

1.1引言

机械行业是工业发展的重要组成部分。随着制造业的进步，传统切削刀具已经不能满足新的制造需求。复杂的服役条件对刀具性能要求更加苛刻，更好的切削性能，更高的强度、耐磨性，高硬度以及良好的自润滑性等都是现代工业对材料技术提出的新要求。而薄膜技术的应用适应了制造业的发展需求，将超硬的薄膜通过不同的镀膜技术镀于较高强度的基体，使得刀具获得了良好的综合性能。极大提高了切削刀具的服役能力和耐用程度，因此超硬薄膜刀具的出现对刀具的耐用性，降低生产成本有着重要意义。同时薄膜技术不仅仅局限于机械刀具，还应用在其他许多摩擦条件下，如汽车活塞，机械模具等，在航空工业、汽车制造、地质钻探等领域也有重要应用[1]。

超硬薄膜的发展从最初的单组元到多组元，单层到多层，以及纳米结构，自适应涂层。这些都是基于提高硬度的基础上，对薄膜性能的进一步优化，获得较高的抗氧化性，耐腐蚀性、化学稳定性。所有硬质薄膜中TiN薄膜是工艺较为成熟，应用最多的。工业技术较高的国家使用TiN作为高速钢刀具涂层的比例占全部的50%-70%，甚至部分特殊刀具占比达到了90%[2]。但随着性能要求的提高，TiN薄膜高温耐氧化性差的缺点也日益凸显，因此需要寻找更好的方法改进TiN或者研制出综合性能更加优异的薄膜至关重要。

1.2硬质薄膜的研究发展

1.2.1超硬薄膜

超硬薄膜是硬度大于40GPa硬质薄膜，具有良好的耐磨性、热导率、低摩擦系数。超硬薄膜可分为本征超硬薄膜和非本征超硬薄膜。本征超硬材料通过高能离子轰击增强涂层。有金刚石、类金刚石(DLC)、立方氮化硼(c-BN)等，非本征超硬薄膜包括薄涂层和纳米结构超硬薄膜。

1.2.1.1本征超硬薄膜

金刚石薄膜的硬度为50~100GPa，c-BN的硬度为50~80GPa，类金刚石(DLC)的硬度因不同制备方法有所不同，大致范围10~60GPa[3]。本征超硬薄膜是自身的键能决定其薄膜的性能，分为共价键本征超硬薄膜和离子键超硬薄膜。以上三种均属于共价键超硬薄膜，离子键超硬薄膜包括Al2O3、TiO2等氧化物，但其硬度较低。过渡金属氮化物因其较好的综合性能广受关注，常见的有TiN、NbN、TaN、ZrN等二元超硬薄膜。

1.2.1.2非本征超硬材料

结合薄膜的微观结构，利用各元素间的相互作用，提高薄膜的综合性能。此类薄膜的研究方向主要有两个：一个是纳米多层膜，一个是纳米结构复合膜。本文制备的是纳米结构复合膜。