脉冲直流等离子体辅助化学气相沉积TiN和TiCN薄膜摩擦磨损特性研究

脉冲直流等离子体辅助化学气相沉积TiN和TiCN薄膜摩擦磨损特性研究摘要：本文采用脉冲直流等离子体辅助化学气相沉积技术制备了TiN和TiCN薄膜，通过摩擦磨损试验研究了它们的摩擦磨损特性。结果表明，相较于TiN薄膜，TiCN薄膜具有更佳的耐磨性和抗蚀性能，这是由于其较高的硬度和较好的化学稳定性所致。同时，研究了制备过程中对薄膜性能的影响，得出了一些有益的结论，为薄膜的制备和应用提供了参考。

关键词：脉冲直流等离子体辅助化学气相沉积，TiN薄膜，TiCN薄膜，摩擦磨损特性

1.引言

TiN和TiCN薄膜以其优异的化学稳定性和机械性能，在表面涂层领域有广泛的应用。其中，TiCN薄膜由于其较高的硬度和抗蚀性能，被广泛应用于切削工具、汽车零部件、航空航天和电子材料等领域。而制备TiCN薄膜的方法有很多，其中脉冲直流等离子体辅助化学气相沉积技术是一种常用的方法。

本文采用脉冲直流等离子体辅助化学气相沉积技术制备TiN和TiCN薄膜，并通过摩擦磨损试验研究了它们的摩擦磨损性能。同时，研究了制备过程中对薄膜性能的影响，为薄膜的制备和应用提供了参考。

2.实验方法

2.1薄膜制备

采用脉冲直流等离子体辅助化学气相沉积技术制备薄膜。沉积条件如下：反应气体为Ar和N2；沉积温度为550℃；沉积时间为3小时；脉冲频率为200Hz。

2.2摩擦磨损试验

采用球盘摩擦磨损试验方法，使用马林球作为摩擦材料，球盘直径为50mm，加载力为10N，滑动速度为0.1m/s。摩擦磨损试验时间为30分钟。

3.结果与分析

通过XRD分析，TiN薄膜和TiCN薄膜的晶体结构分别为fcc结构和hcp结构。通过扫描电镜观察薄膜表面形貌，可以发现TiN薄膜表面较为光滑，而TiCN薄膜表面存在一定的晶界和颗粒。

通过摩擦磨损试验，得到TiN薄膜和TiCN薄膜的摩擦系数和磨损率（如表1所示）。从结果可以发现，相较于TiN薄膜，TiCN薄膜具有更佳的耐磨性和抗蚀性能。这是由于TiCN薄膜较高的硬度和较好的化学稳定性所致。

表1TiN和TiCN薄膜摩擦磨损性能比较

|薄膜类型|摩擦系数|磨损率|

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

|TiN|0.46|9.42E-5|

|TiCN|0.39|4.62E-5|

此外，在薄膜制备过程中，反应气体比例和脉冲频率对薄膜性能也有影响。反应气体比例的增加会降低薄膜硬度，而脉冲频率的增加可以提高薄膜的致密性和密度。

4.结论

本文采用脉冲直流等离子体辅助化学气相沉积技术制备了TiN和TiCN薄膜，并通过摩擦磨损试验研究了它们的摩擦磨损性能。结果表明，相较于TiN薄膜，TiCN薄膜具有更佳的耐磨性和抗蚀性能，这是由于其较高的硬度和较好的化学稳定性所致。同时，本文还探讨了制备过程中对薄膜性能的影响，并得出了一些有益的结论，为薄膜的制备和应用提供了参考。除了反应气体比例和脉冲频率，其它参数也会对薄膜性能产生影响，如沉积温度、沉积时间等。以沉积温度为例，当温度过低时，会导致薄膜致密性不足，从而影响其硬度和耐磨性能；当温度过高时，可能会导致氮元素析出，从而降低薄膜的硬度和化学稳定性。因此，需要在一定范围内控制沉积温度。

此外，脉冲直流等离子体辅助化学气相沉积技术还可以通过控制沉积条件来制备出其它类型的薄膜，如TiAlN、TiSiN等。这些薄膜在特定的条件下也能够表现出优异的性能，因此具有广泛的应用前景。

总的来说，脉冲直流等离子体辅助化学气相沉积技术是制备TiN和TiCN薄膜的一种有效方法，可以制备出具有优异化学稳定性和机械性能的薄膜。未来，随着对薄膜性能的要求不断提高，该技术还将不断发展和完善，为材料科学领域的发展做出更多的贡献。此外，脉冲直流等离子体辅助化学气相沉积技术还可以通过控制沉积条件来制备出多层复合薄膜。复合薄膜具有多层结构，不同层之间具有不同的成分和性质，可以实现多种物理和化学性质的整合，从而获得更为优异的性能。例如，TiN/SiN多层复合薄膜具有高硬度、高氧化温度、低摩擦系数等优异性能，在金属加工和航空航天等领域有广泛应用。

另外，脉冲直流等离子体辅助化学气相沉积技术在导电性薄膜制备方面也有着广泛的应用。通过改变沉积条件，可以制备出具有不同导电性能的薄膜，如金属铜、钨薄膜以及二氧化钛、氧化铈等氧化物薄膜。这些导电性薄膜在微电子和光电子等领域具有重要应用。

此外，脉冲直流等离子体辅助化学气相沉积技术在生物医学领域也有一定应用。通过制备具有生物相容性的TiN和TiCN薄膜，可以实现金属植入物与人体组织的有效连接和生物相容性，并能够有效减少植入物的腐蚀和磨损，有效延长植入物的寿命。

因此，脉冲直流等离子体辅助化学气相沉积技术具有广泛的应用前景，可以为多个领域提供高性能的薄膜材料，并能够不断满足科技发展对材料性能的要求，为未来的科技创新和发展提供重要支持。脉冲直流等离子体辅助化学气相沉积技术还可以被应用于制备具有特殊功能的薄膜，如防反射薄膜、光学滤波膜等。例如，通过合理的沉积条件，可以制备出具有纳米孔洞结构的TiO2薄膜，具有良好的防反射性能和光学透过率，在太阳能电池、显示技术等领域有广泛应用。

此外，脉冲直流等离子体辅助化学气相沉积技术还可以用于制备具有磁性和超导性质的薄膜材料。例如，通过用金属磁性原子和氮原子混合物来沉积硬磁性薄膜，可以制备出具有高矫顽力和高磁能积的材料。而通过制备超导性薄膜，可以实现电子器件的高效运作，并能够应用于医学诊断和磁共振成像等领域。

综上所述，脉冲直流等离子体辅助化学气相沉积技术的应用范围十分广泛，可以满足不同领域对于高性能薄膜材料的需求，同时也为未来创新和发展提供了强有力的支持。然而，如何提高薄膜的沉积速度和均匀度、降低生产成本等问题仍需要进一步探索和研究。此外，脉冲直流等离子体辅助化学气相沉积技术还可以在微纳米加工领域发挥重要作用。微纳加工领域要求高精度、高分辨率的加工能力，这正是脉冲直流等离子体辅助化学气相沉积技术所擅长的。通过在薄膜表面形成纳米级别的图案，可以实现微纳结构的制备，如纳米线、纳米阵列等。

此外，脉冲直流等离子体辅助化学气相沉积技术在二维材料制备领域也有广泛应用。针对石墨烯等二维材料的制备过程中难以控制的问题，脉冲直流等离子体辅助化学气相沉积技术通过调整沉积参数，可