利用HiPIMS制備出的Ti-Si-N薄膜硬度可以達(dá)到66GPa！

引言

Ti-Si-N是被認(rèn)為是一種高硬度的膜層，Veprek（1999）提出了一種結(jié)構(gòu)模型，認(rèn)為是非晶包含納米晶結(jié)構(gòu)。這有點(diǎn)類似于我們見到的瀝青和石頭混合路面結(jié)構(gòu)。這里的納米晶尺寸和非晶含量的多少是很講究的。太多不行，太少也不行。

自從Veprek提出這個(gè)PVD涂層硬化模型以后，人們進(jìn)行了很多嘗試。利用了不同的方法，如多弧、磁控、復(fù)合PVD+PECVD方法等等，都得到了很好的效果。

HiPIMS（也是誕生于1999年）出現(xiàn)以后，人們利用該高能脈沖磁控也嘗試了Ti-Si-N薄膜的制備。俄羅斯科學(xué)家制備出的TiSiN薄膜的硬度可以達(dá)到66GPa，這是令人驚奇的。

點(diǎn)睛

1） Ti-Si-N已經(jīng)被證明可以具有高硬度、高耐磨特性。

2） 高能脈沖磁控技術(shù)（HiPIMS）改變了傳統(tǒng)的磁控放電特性，獲得了濺射粒子的高度離化。進(jìn)一步優(yōu)化了Ti-Si-N的結(jié)構(gòu)，硬度可以達(dá)到66GPa。

內(nèi)容

索引文獻(xiàn)的作者們采用了高功率脈沖磁控濺射方法進(jìn)行放電（實(shí)驗(yàn)室靶的尺寸為100mm直徑，5mm厚度，含Si10%）。放電電流可以到400A。

他們的放電電源很好，有一個(gè)小的初始放電電流，用于穩(wěn)定放電。這與哈工大研究的DC+PulseHiPIMS是相似的。高能脈沖放電確實(shí)有效果，等離子體中有2價(jià)的Ti和Ar離子，而且離子的峰位都很高（見下圖）。這會(huì)改變膜層的轟擊動(dòng)力學(xué)。

在160A的脈沖電流下沉積的膜層元素含量為：Ti （約41%）、Si(約5%)和N（約55%），膜層沉積了1.2um，膜層的硬度達(dá)到了66GPa，而且摩擦系數(shù)也很低，僅有0.54。大大提高了耐磨性。

總結(jié)

1） 隨著PVD硬膜技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)等離子體鍍膜技術(shù)應(yīng)用方興未艾。在鍍膜時(shí)需要在幾個(gè)技術(shù)細(xì)節(jié)上下功夫，如鍍膜前的爐外和爐內(nèi)清洗、膜層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、偏壓設(shè)計(jì)、等離子體源的設(shè)計(jì)以及等離子體電源的設(shè)計(jì)等等。

尤其等離子體電源設(shè)計(jì)尤為重要，因?yàn)樗赡軙?huì)產(chǎn)生超常規(guī)放電，這會(huì)引起一系列的非線性、非平衡效應(yīng)，包括等離子體放電和膜層生長(zhǎng)，為膜層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能提升提供了極大的想象的空間。

2） 這里是俄羅斯科學(xué)家研究的Ti-Si-N結(jié)果，其實(shí)在很多方面都可以得到應(yīng)用。俄羅斯在鍍膜放電理論和實(shí)踐方面做的很出色。

3） 高功率脈沖磁控的好處，這里不再敘述，已經(jīng)有很多文獻(xiàn)報(bào)道?？赡苄枰罅康臏y(cè)試和場(chǎng)景驗(yàn)證，才能推進(jìn)該技術(shù)的快速進(jìn)步和廣泛應(yīng)用。