[发明专利]磁控溅射法制备二硼化钛/二氧化锆梯度纳米结构薄膜及其应用

说明书

本发明涉及一种TiB₂/ZrO₂梯度纳米结构薄膜及其应用。它是利用磁控溅射技术，制备得到的TiB₂/ZrO₂梯度纳米结构薄膜。TiB₂/ZrO₂梯度纳米结构薄膜由在单晶的硅Si（100）基片上交替沉积TiB₂和ZrO₂层，TiB₂层厚度由上到下为30+n×3nm(10n≥0,n为正整数)，ZrO₂层厚度不变，为30 nm，设定10个调制周期，然后在多层膜表面溅射一层100nm厚的TiB₂作为多层膜的顶层，总层厚为1‑1.3μm。随后进行600℃有氧保温30 min的高温氧化实验，探究TiB₂/ZrO₂梯度纳米结构薄膜的抗氧化性变化。通过对薄膜机械性能测试得到具有高硬度、高膜基结合力、断裂韧性好、抗氧化性好的优良综合特性的TiB₂/ZrO₂梯度纳米结构薄膜，该薄膜在切割刀具、机械零部件和功能陶瓷技术领域中将有重要的应用前景。

本发明得到国家自然科学基金项目（51772209），天津市自然科学基金项目（18JCQNJC72000），天津市科技计划项目（18PTZWHZ00020），天津大学创新研究计划（批准号：TD13-5077）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TiB₂/ZrO₂梯度纳米结构薄膜，利用磁控溅射技术合成由二硼化钛和二氧化锆组成的具有较高硬度、高膜基结合力、高韧性，和良好热稳定性表面强化梯度纳米结构薄膜的新工艺。

背景技术

高温材料通常在550°C以上的温度下能承受一定应力并具有抗氧化、抗腐蚀等性能。它包括高温陶瓷、高温合金及抗氧化C/C复合材料。它们的熔点、硬度高，抗热震性好，可作电子设备，机械零部件和切削刀具的重要承力结构部分。在高温氧化气氛下，属于非氧化物的硼化物、碳化物陶瓷容易被氧化而失效。因而，高温陶瓷材料的氧化就成为其发展的一个瓶颈，阻碍了它们向高速、长寿命方向发展。从上世纪六十年代对高温材料的研究以来，提高高温陶瓷材料的抗氧化性一直是材料研究者们关注的热点。硼化钛(TiB₂)是硼和钛最稳定的化合物，为C32型结构，以其价键形式结合，属六方晶系的准金属化合物。其完整晶体的结构参数为：a为0.3028nm，c为0.3228nm。晶体结构中的硼原子面和钛原子面交替出现构成二维网状结构，其中的B与另外3个B以共价键相结合，多余的一个电子形成大π键。这种类似于石墨的硼原子层状结构和Ti外层电子决定了TiB₂具有良好的导电性和金属光泽，而硼原子面和钛原子面之间Ti-B键决定了这种材料的高硬度和脆性的特点。由于其优异的机械性能，TiB₂已经广泛应用于许多工业领域，如加工工具等，它具有极高的硬度，可以满足切割刀具等的磨损和消耗的需求，但是，特别是在高速加工过程中，TiB₂涂层材料韧性和热性能方面，仍然面临着巨大的挑战。几十年来，随着科技的发展，高温陶瓷材料尤其是硼化物的抗氧化性得到了较广泛的研究。硼化物主要是依靠表面形成的非晶膜（如硼硅玻璃）来阻止氧的扩散，温度过高，非晶膜就会失效。另一方面，ZrO₂是一种很有前途的高温材料，由于其具有低的导热率和高的热稳定性常用于热障涂层，在最近的研究中，它常被加入到其他物质体系中，来提高该物质的热稳定性。