不同调制比NbSiN/VN多层膜微观结构、力学和摩擦性能研究

　　采用多靶共焦射频磁控溅射制备不同调制比的NbSiN/VN多层膜。利用X射线衍射、扫描电镜、能量色散谱、纳米压痕仪及摩擦试验机对薄膜的成分、相结构、力学及摩擦性能进行分析。结果表明，NbSiN/VN多层膜为fcc与hcp混合结构，NbSiN/VN多层膜的显微硬度随VN调制层厚度的增加而逐渐降低，室温条件下，以Al2O3为摩擦副的NbSiN/VN多层膜平均摩擦系数受调制比影响显著，随VN层厚度的增加，多层膜平均摩擦系数先降低后保持稳定。

　　过渡族金属氮化物薄膜现已被广泛的应用在诸如刀具加工等工业领域。但是，随着工业加工技术的迅猛发展，对刀具薄膜提出了更高的性能要求(这些性能如高速高温、高精度、高可靠性、长寿命等)。因此，如何提升薄膜材料的上述性能是摆在国内外科学家和工程师面前的一个严峻挑战。

　　研究表明，多元化是薄膜材料性能改良的一种有效手段，例如TM-X-N薄膜(TM表示过渡族金属，X表示Al、Si等元素)能够体现出比TMN更为优异的力学和热稳定性能。Veprek等报道称TiSiN薄膜有着比金刚石更为优异的力学性能，其硬度可以高达80～105GPa。从而引发了国内外学者研究TM-Si-N体系的热潮。尽管到目前为止，并没有学者制备出硬度高于金刚石的该体系薄膜，但是，TM-Si-N体系现已得到充分研究。NbSiN便是其中具有一定代表性的薄膜之一。研究表明，由于非晶SiNx相的出现，NbSiN薄膜体现出比二元NbN薄膜更为优异的力学和热稳定性能。在传感器、微电子以及刀具等领域具有比二元NbN薄膜更为光明的应用前景。然而，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为NbSiN薄膜的摩擦性能并不十分理想。

　　由于在干式切削环境中能够产生具有固体自润滑性能的氧化物(亦被称为Magnéli相)，近年来，这些具有固体自润滑性能的第六副族元素(如V和Mo等)的氮化物受到越来越多的关注。有报道称，V在干式切削实验过程能够形成的具有低剪切模量的Magnéli相V2O5及V2O3具有良好的耐磨和减摩作用，能够有效地提高薄膜的摩擦性能，使薄膜可在极端的工作条件下连续使用，故VN薄膜体现出优异的摩擦性能。VN薄膜便是由此兴起的一种具有润滑作用的新型薄膜材料。但是，VN薄膜硬度较低、热稳定性不理想等缺点限制了其在刀具工业中的应用。因此，目前关于VN薄膜的研究集中在以类似TiAlN等硬质薄膜为母体的多层膜领域，且体现出了良好的性能。基于上述多层膜设计思想，可以推测NbSiN/VN多层膜能够兼具NbSiN薄膜优异的力学和热稳定性能，VN薄膜优异的摩擦性能。为此，本文设计了不同VN膜层厚度的NbSiN/VN多层膜体系，研究不同调制周期的NbSiN/VN多层膜微观结构，力学和摩擦性能。

1、实验材料及方法

　　本实验中，基体材料为单晶Si(100)基片和经过抛光的不锈钢基片。将上述两种基片依次在蒸馏水、丙酮和酒精中超声清洗15min，经热风干燥后装入磁控溅射仪中。其中，单晶Si基片用于微观组织和力学性能的测试，抛光后的不锈钢基片用于摩擦性能测试。薄膜制备采用JGP450型多靶磁控溅射仪，它由2个RF溅射枪和一个DC溅射枪组成，基片架与溅射枪的间距为78mm。将纯度为99.9%的Nb靶和纯度为99.999%的Si靶分别装在2个RF溅射枪上，纯度为99.9%的V靶放在DC溅射枪上，靶材的尺寸为直径75mm，厚度5mm。真空室本底真空优于6.0×10-4Pa。将基片样品装入真空室内可旋转的基片架上，向真空室内通入纯度均为99.999%的Ar和N2，其中Ar气流量为10mL/min，N2气流量为5mL/min，工作气压控制在0.3Pa。制备NbSiN/VN多层膜的过程中，Nb靶功率保持在200W，Si靶功120W，V靶功率120W，通过电脑控制靶前的挡板打开时间控制调制比。固定NbSiN调制层的厚度为5nm，改变VN调制层厚度分别为1，3，5和10nm。

　　在制备NbSiN/VN多层膜之前先在基片表面沉积厚度约为100nm的Nb层作为过渡层，然后再分别沉积厚度约2μm的NbSiN/VN薄膜。采用岛津XRD-6000型X射线衍射(XRD)仪对样品的相组成进行分析。硬度测试在CPX+NHT2+MST纳米力学综合测试系统上完成，压头类型为三棱锥压头，载荷大小为6mN，纳米压痕仪的基本原理可见文献。为了确保结果的可靠性，对每个样品打9个点的硬度，取这9个点的平均硬度为薄膜的最终硬度。一般而言，当压痕深度小于薄膜厚度的10%的时候，测试结果不受基片的影响。在本文的实验中，硬度值均在120～150nm的压痕深度下获得的，保证了薄膜的力学性能不受基片的影响。

　　摩擦磨损实验是在美国CETR公司生产的UTM-2型高温摩擦磨损仪上完成的，摩擦形式为球-盘式圆周式摩擦磨损。摩擦头为Al2O3陶瓷摩擦头，加载载荷为3N，摩擦圆周半径为4mm，摩擦转速为50rad/min，摩擦时间为30min。

3、结论

　　(1)不同调制比下，NbSiN/VN多层膜的显微硬度和理论混合硬度值相差不大，且随VN调制层厚度的增加而逐渐降低。当调制比为5∶1(VN厚度为1nm)时，NbSiN/VN多层膜具有最高硬度，其硬度值为25GPa。

　　(2)室温条件下，以Al2O3为摩擦副的NbSiN/VN多层膜平均摩擦系数受调制比影响显著。当调制比在5∶1～5∶3(VN层厚度小于3nm)之间时，多层膜的平均摩擦系数随VN层厚度的增加逐渐降低;当调制比在5∶3～5∶10(VN层厚度在3～10nm)之间时，多层膜平均摩擦系数趋于平稳，随VN层厚度变化不大。