[发明专利]一种硬质硼化锆/氧化锆纳米多层膜及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种ZrB₂/ZrO₂的纳米多层膜涂层。它是在硅（Si）基底上周期性分别沉积ZrB₂层和ZrO₂层制备ZrB₂/ZrO₂纳米多层膜；其中ZrB₂和ZrO₂的沉积周期为40nm，沉积的调制比依次为：_tZrB2：t_ZrO2=1:1；2‑5:1，共沉积20个周期，薄膜总层厚为800‑900纳米。随后在大气条件下进行500℃保温1小时的高温氧化实验，探究ZrO₂层对多层膜高温抗氧化性的影响。硬质ZrB₂/ZrO₂纳米多层膜具有较高硬度、高弹性模量和高温抗氧化的优良机械特性。ZrB₂/ZrO₂纳米多层膜在切削工具、微机械、微电子领域将有重要的应用前景。

本发明得到国家863计划资助项目(2015AA034702)，国家自然科学基金项目(51472180，51272176)的资助。

技术领域

本发明属于硬质涂层领域。特别是涉及一种FJL560CI2型超真空射频磁控溅射系统制备ZrB₂/ZrO₂纳米多层膜，利用磁控溅射技术合成由二硼化锆和二氧化锆组成的具有较高硬度、高弹性模量和高温抗氧化性的表面强化纳米多层膜的新工艺。

背景技术

薄膜材料的制备与应用可以追溯到一千多年前，但真正作为一门新型的薄膜科学与技术，是近几十年的事。近20年来，薄膜科学发展迅速，在制备技术、分析方法、结构观察和形成机理等方面的研究都取得了很大进展，其中纳米薄膜的开发与应用更是日新月异，十分引人注目。由于薄膜材料涉及物理、化学、电子学、冶金学等诸多学科，在机械制造、新材料、航空航天、国防、能源、信息产业、生物技术、电子工业和光学工业等方面有着广泛应用，并且具有电性能、力学性能、光学性能、磁学性能、催化性能、超导性能等诸多性能，薄膜材料已成为材料学中最为活跃的领域之一。纳米薄膜材料的种类有很多，其中纳米功能薄膜以及纳米结构薄膜是两种主要的类型。其中纳米功能薄膜是一类具有电、磁、光、热等方面有特殊性质，或者在其作用下表现出特殊功能的薄膜材料，功能薄膜的种类繁多，性能和用途各异。另一类薄膜是纳米结构薄膜，通过改变纳米粒子的结构、取向，形成很多的界面，使位错运动变得困难，提高了薄膜力学方面的性能。硬质薄膜就属于结构薄膜。硬质薄膜主要是研究合成超硬材料，超硬材料作为切削工具的表面涂层能够提高工具的硬度，抗磨损性和耐高温性等，从而扩大了切削工具加工的范围，提高了工具的寿命。近些年来，人们着重研究纳米结构薄膜的两个方向分别是纳米多层膜和纳米复合膜，并且在实验方面很多的研究者做出了大量的重要贡献，制备出了很多性能和结构优异的纳米涂层材料，这推动了纳米结构薄膜的发展与壮大。其中纳米多层膜是由两种或两种以上材料以纳米级厚度交替沉积形成的多层结构薄膜，纳米多层膜作为一种用于增强材料硬度和表面保护的人造材料备受关注，大量研究证明，纳米多层膜由于纳米层间存在超硬效应以及量子效应和宏观隧道效应，纳米多层膜与其组分的单层膜相比具有更好的力学性能和微结构。因此，研究不同种类材料构成的纳米多层膜系统的合成方法及其结构和性能的相互关系十分重要。