[发明专利]一种钨掺杂碳化钽铪薄膜材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种钨掺杂Ta_0.5Hf_0.5C薄膜材料及薄膜制备方法。通过利用磁控溅射设备，采用双靶共溅射的方式制备出金属钨掺杂Ta_0.5Hf_0.5C薄膜，与未经掺杂的Ta_0.5Hf_0.5C薄膜对比，该薄膜微观结构与力学性能均发生变化，研究结果表明，随着钨掺杂量的增加，样品的面心立方结构发生变化，晶粒尺寸与粗糙度逐渐减小，薄膜截面形貌致密度高。同时，钨掺杂Ta_0.5Hf_0.5C薄膜的硬度与韧性均得到明显提升。

技术领域

本发明属于超高温陶瓷材料技术领域，具体涉及一种钨掺杂碳化钽铪(Ta_0.5Hf_0.5C)薄膜材料及其制备方法。

背景技术

超高温陶瓷(UHTCs)通常指熔点超过3000℃，并在极端环境中保持稳定的物理和化学性质的一类特殊陶瓷材料，通常包括过渡金属硼化物、碳化物、氮化物及其复合材料。极端环境一般指高温、反应气氛(如原子氧，等离子体等)、机械载荷和磨损等组成的综合环境。

TaC和HfC是最具有代表性的超高温陶瓷材料，TaC与HfC熔点分别为3768℃和3958℃，硬度分别为18.9GPa和22.1GPa，两者通过固溶处理后所得到的Ta_0.5Hf_0.5C材料硬度甚至高达30GPa，然而较低的断裂韧性极大限制了Ta_0.5Hf_0.5C材料的服役寿命。

随着研究的深入，研究者们发现可以通过钨元素掺杂的方式来提高超高温陶瓷的韧性，2020年，Jiaojiao Hu发表的一篇文章，关于掺杂钨元素提高TaC薄膜韧性，增韧机制是由于价电子浓度增加，使得费米能级上的金属态占有率提高，因此在d-t2g金属态中形成的层电子结构允许晶体结构对变形选择性响应。实验制备的Ta_0.69W_0.31C_0.75薄膜硬度与韧性分别为43.9GPa，3.95MPa·m^1/2，远高于TaC(28.1GPa，2.4MPa·m^1/2)。

磁控溅射镀膜是电子在电场的驱使作用下，电子快速飞向基体，在此运动过程中，电子与腔体内的氩原子发生撞击，使得氩原子发生电离，产生氩离子与新电子；新电子快速飞向基体，氩粒子则在电场的作用下高速的轰击阴极靶材表面，使得靶材表面发生溅射，逸出的靶材原子或分子自由扩散逐渐沉积在基体上形成薄膜，其优点是靶材原子或分子沉积的速度较快，到达衬底后薄膜的温度波动低，减少薄膜内部的热应力，从而对薄膜的损伤小。在沉积过程中无化学反应以及杂质的生成，所以制备的薄膜纯度高且致密性好，而且能够在大面积衬底上获得厚度均匀的薄膜

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提出一种力学性能好的钨掺杂Ta_0.5Hf_0.5C薄膜材料及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明一种钨掺杂Ta_0.5Hf_0.5C薄膜材料，所述钨掺杂Ta_0.5Hf_0.5C薄膜材料，其化学结构式为：Ta_(1-x)/2Hf_(1-x)/2W_xC，其中0＜X≦2，优选为1≦X≦2。

本发明一种钨掺杂Ta_0.5Hf_0.5C薄膜材料的制备方法，采用磁控溅射的方式，将Ta_0.5Hf_0.5C靶材与钨靶材同时溅射于Si衬底中，即得钨掺杂Ta_0.5Hf_0.5C薄膜材料。

本发明，利用磁控溅射镀膜系统，采用双靶共溅射法一步制备获得。