CH4流量对磁控溅射TaCx薄膜结构和机械性能的影响文献综述

文 献 综 述

CH₄流量对磁控溅射TaC_x薄膜结构和机械性能的影响

张子雨

1. 研究背景

随着技术、制造等产业的飞速发展，在航空航天、核动力、交通运输、机械加工等领域，许多关键器件需要在极为苛刻的热、力以及化学的交互作用下工作，这对器件的力学和摩擦学性能提出了很高的要求如超高的硬度、耐磨性、高韧性等^[1]。表面改性是解决上述一些问题的一种很有前途的方法^[2-4]。通过表面涂层技术，在器件表面涂覆一层高耐磨性的薄膜材料已成为降低材料摩擦系数、增强耐磨性能、延长服务寿命的有效手段。过渡金属碳化物由于其高硬度、高熔点和优异的化学稳定性几十年来一直是广泛研究的热点，过渡金属碳基薄膜是由两个相组成的纳米复合结构，即碳化物和非晶碳的纳米晶粒。由于这种纳米复合结构具有显著的提高机械性能和耐磨性的能力^[5]，因此被广泛用作精密钢部件、刀具和机械部件表面的保护涂层^[6]。其中碳化钽(TaC)具有独特的性能，如高的熔点(3983 ℃)，高的抗氧化性、耐热冲击，优异的生物相容性以及低的热膨胀系数等优异性能，被美国列为下一代的热保护材料^[7-14]。关于TaC的研究主要集中于对其综合性能的优化，包含：硬度、韧性、摩擦、耐腐蚀以及生物相容性等，以期望TaC薄膜能更好地适用于机械制造、微电子加工以及生物植入等领域。磁控溅射是目前应用最广泛的TaC薄膜制备技术之一。

2.TaC薄膜研究现状

Du，S.和Zhang,K等人^[15]研究了直流反应溅射制备TaC薄膜的力学性能和摩擦学行为，并用XPS、XRD、TEM等表征手段对其进行结构上的分析以及对其力学性能和摩擦学性能进行了测试。薄膜中碳含量从30.3％增加到74.3％时，薄膜由六方-Ta₂C向立方-TaC相变，在碳含量最高时，薄膜由非晶相组成。薄膜的硬度(H)、弹性模量(E)和H/E比值随C含量的增加先增大后减小。摩擦学试验表明，纳米复合薄膜具有优异的耐磨性和较强的自润滑效应，在环境空气中的摩擦系数低至0.19，在SBF下的摩擦系数低于0.15。且在Ti6Al4V上沉积的TaC薄膜在碳含量为65.3％时，有着最低磨损率1.44times;10^-6mm³/Nm。

生物相容性试验证实，TaC纳米复合薄膜无毒，细胞相容性良好。因此，纳米复合TaC薄膜可作为全髋关节置换术轴承部件之间的耐磨层。

Long和团队^[16]在气相沉积过程中通过调控沉积温度成功优化了TaC薄膜的力学性能，用C/C复合材料做基底材料，使TaC薄膜分别在1100℃、1200℃、1300℃温度下沉积在基底材料表面。X射线衍射结果表明，这三种薄膜均为单相立方结构，在1300℃时，薄膜中有一种作为杂质的碳。在1100℃和1200℃时，薄膜微观结构光滑且无裂纹；但在1300℃时，薄膜出现裂痕。XRD和SEM结果证实沉积温度对晶粒尺寸有显著影响。硬度和杨氏模量与晶粒尺寸有很强的相关性。发现在1200℃下生产的涂层具有更高的硬度和更高的杨氏模量。

Ding及其团队^[17]通过射频磁控溅射的方法沉积TaC薄膜，研究其在医用316L不锈钢上的结构和性能。在不同温度下在316L不锈钢材料上沉积Ta_xC_1-x薄膜。XRD结果表明，不同温度下，薄膜的微观结构显著不同:当温度＜150℃时，Ta_xC_1-x处于无定形状态；当温度ge;150℃时，形成TaC相，并表现为晶粒尺寸约15-25nm（300℃下）的颗粒。AFM结果表明，随温度升高，Ta_xC_1-x薄膜的均方根值（RMS）降低。纳米划痕实验表明，300℃下沉积的薄膜具有较高的硬度，摩擦学测试结果表明，Ta_xC_1-x薄膜具有良好的耐磨性。动电位极化结果表明，316L不锈钢的耐蚀性由于沉积了Ta_xC_1-x薄膜而显著提高。血小板粘附试验结果表明，沉积在150℃和300℃的Ta_xC_1-x薄膜比沉积在25℃的Ta_xC_1-x薄膜具有更好的血液相容性。此外，发现沉积在316L不锈钢上的Ta_xC_1-x薄膜的血液相容性受其表面粗糙度、亲水性和表面能的影响。^[18-21]

Poladi.A.等^[22]通过DC磁控溅射研究了碳含量对TaC薄膜结构、力学、磨损和腐蚀性能的影响。他们展示了陶瓷TaC薄膜(20%碳含量)表现出最佳的机械性能和耐磨性；赵等^[23]研究了原位合成和铸造-热处理相结合的TaC薄膜，分析了薄膜形成的热力学、动力学和原子扩散过程。结果表明，碳化物层的厚度与处理时间呈抛物线关系，该过程的活化能为388.68kJ/mol。