專利名稱：Fe/Mo納米多層膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米多層膜，具體地說(shuō)是一種濺射技術(shù)制備 的Fe/Mo納米多層膜。
技術(shù)背景固體潤(rùn)滑薄膜通過(guò)阻止摩擦副之間的直接接觸，可以有效避免摩擦副的粘著磨損和應(yīng)變疲勞，因而能夠顯著提高摩擦副材料 的摩擦學(xué)性能。目前，具有層狀結(jié)構(gòu)、低剪切強(qiáng)度特性的硫化物 固體潤(rùn)滑材料，是機(jī)械設(shè)備中摩擦副表面應(yīng)用得最多的固體潤(rùn)滑 薄膜類型，在改善摩擦副的潤(rùn)滑狀態(tài)方面發(fā)揮了很大作用，例如 硫化亞鐵(FeS)、 二硫化鉬(MoS2)等。但是這種單質(zhì)Fe膜和 單質(zhì)Mo膜的從硬度及彈性模量方面來(lái)說(shuō)已經(jīng)不能達(dá)到現(xiàn)有技術(shù) 設(shè)備所要求的標(biāo)準(zhǔn)，尤其是精密儀器。金屬/金屬型納米多層膜是人們研究較早的一種納米多層 膜。1977年Yang W M C等(Journal of Applied Physics. 1977， 48(2): 876-879)發(fā)現(xiàn)了 Au/Ni系中的超模量效應(yīng)，但目前國(guó)際上 許多科學(xué)家對(duì)超模量效應(yīng)持懷疑態(tài)度，因?yàn)椴煌髡叩哪Ａ繙y(cè)試 結(jié)果分散性很大。Anital997年6月研究Cu/Fe納米多層膜時(shí)發(fā) 現(xiàn)，當(dāng)調(diào)制波長(zhǎng)下降到30納米時(shí)，多層膜的硬度增大了將近 100%，硬度值與調(diào)制波長(zhǎng)呈H 人-"2的關(guān)系。Cammarata (Thin Solid Films. 1994， 240(1): 82-87)、 Fartash (Physical Review B. 1991， 44(24): 13760-13763.)禾口 Lehozky (Journal of Applied Physics. 1978， 49(11): 5479-5485.)分別研究了Cu/Ni、 Cu/Nb和 Al/Cu納米多層膜，都發(fā)現(xiàn)了硬度的提高。他們認(rèn)為這硬度的提 高可能是超模量效應(yīng)所致，但由于在卸載過(guò)程中并未發(fā)現(xiàn)彈性異
常，因此他們又推斷可能是另一種機(jī)制在起作用，如類似于多晶 材料中晶粒邊界的硬化作用。據(jù)査閱國(guó)際最新文獻(xiàn)知，現(xiàn)有的金屬/金屬型納米多層膜的 組成金屬一般以較軟的金屬為主，如金(Au)、銅(Cu)、鎳(Ni)、 鈮(Nb)等，組成如Au/Ni、 Cu/Fe、 Cu/Ni、 Cu/Nb等納米多層 膜。但是，調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的Au/Ni、 Cu/Fe、 Cu/Ni、 Cu/Nb納 米多層膜在最佳調(diào)制波長(zhǎng)下的最高硬度只有3.5GPa，平均硬度 僅為2.2GPa。又由于硬質(zhì)金屬納米多層膜不易制備等原因，目 前尚未發(fā)現(xiàn)本領(lǐng)域內(nèi)有研制出硬質(zhì)金屬(如鉬Mo、鉭Ta等)作 為組成金屬的金屬/金屬型納米多層膜。到目前為止，上述對(duì)金屬/金屬型納米多層膜的研究具有很 大的局限性，其均僅處于物理性能檢測(cè)方面，并沒(méi)有上升到摩擦 學(xué)方面的應(yīng)用研究。且上述Au/Ni、 Cu/Fe、 Cu/Ni、 Cu/Nb等納 米多層膜在硬度、彈性模量和與金屬的結(jié)合度方面仍存在缺陷， 所以不適用于機(jī)器設(shè)備中的抗磨擦應(yīng)用，尤其是精密儀器?，F(xiàn)階段，固體潤(rùn)滑薄膜的潤(rùn)滑效率需要不斷提高，固體潤(rùn)滑 薄膜的種類需要不斷拓展，固體潤(rùn)滑薄膜對(duì)苛刻工況的適應(yīng)性需 要不斷加強(qiáng)。在這種背景下，性能明顯優(yōu)于現(xiàn)有固體潤(rùn)滑薄膜， 且適用于精密摩擦副表面的固體潤(rùn)滑薄膜是材料學(xué)家們研究的 重點(diǎn)內(nèi)容。 發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明提出一種制膜方法新穎簡(jiǎn)便、摩擦學(xué)性能優(yōu)異 的固體潤(rùn)滑F(xiàn)e/Mo納米多層膜。本發(fā)明的另一目的是提供一種制備上述納米多層膜的方法。 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案 一種Fe/Mo納米多層膜，其是在基體上通過(guò)雙靶射頻濺射 交替沉積Fe層和Mo層制成的，所述Fe層和Mo層厚度之比為0.95 1.05，即Fe層和Mo層厚度基本相同，可以上下浮動(dòng)稍有 誤差。雙子層厚度即調(diào)制波長(zhǎng)為5 20rnn，納米多層膜總厚度為 1 3wm;其中，雙子層厚度是指單一 Fe層和單一 Mo層的厚度 之和。上述的Fe/Mo納米多層膜沉積的首層為Mo層，交替沉積后 的末層為Fe層，即基體的基底層為Mo層，最外層為Fe層。本發(fā)明所述的Fe/Mo納米多層膜多應(yīng)用于機(jī)械性設(shè)備，與沉 積基體間結(jié)合強(qiáng)度強(qiáng)，沉積基體可以為金屬或陶瓷等，最佳沉積 基體為金屬。本發(fā)明所述的Fe/Mo納米多層膜的制備工藝如下首先將基 體加熱至50 150°C，靶材采用純度為90 99. 99%的Fe靶和 純度為90 99. 95%的Mo靶，然后在2 X 10—2 2 X 10°Pa的Ar氣 氛中(真空度為2X10—4 2X10—2Pa)在基體上通過(guò)雙靶濺射 交替沉積Fe層和Mo層最終制成Fe/Mo納米多層膜。上述的Fe/Mo納米多層膜的制備工藝采用的設(shè)備為射頻濺 射爐，如圖1所示，工作時(shí)，將基體置于轉(zhuǎn)架上，兩靶面分別為 射頻鐵靶和射頻鉬靶中的一種，電壓、電流、靶面在基體上的停 留時(shí)間等參數(shù)可調(diào)。工作時(shí)，基體旋轉(zhuǎn)到Mo靶面前則沉積Mo層， 旋轉(zhuǎn)到Fe耙面前則沉積Fe層，從而實(shí)現(xiàn)交替沉積。本發(fā)明所用鉬靶由粉末冶金高溫加工而成，鐵靶由熔煉燒結(jié) 而成，均屬公知技術(shù)。所述靶材也可根據(jù)實(shí)際需要在北京有色金 屬研究總院進(jìn)行定做。上述的Fe/Mo納米多層膜的制備工藝，其中，F(xiàn)e層和Mo層 的厚度由基體在靶前的停留時(shí)間及沉積速率來(lái)控制，沉積Mo層 時(shí)，基體在Mo靶前停留時(shí)間為9 100秒，沉積速率為6 16 nm/min;沉積Fe層時(shí)，基體在Fe靶前停留時(shí)間為10 100秒， 沉積速率為6 15nm/min。
上述的Fe/Mo納米多層膜的制備工藝，其中所述雙靶濺射的 電壓為500 1000V，電流為100 400mA，自偏壓為450 950V, 濺射功率為100 300W;基體與靶材的距離為1 2厘米。上述Fe/Mo納米多層膜的制備工藝，其中，為了提高沉積效 率，交替沉積時(shí)加負(fù)偏壓50 200V。上述負(fù)偏壓是指以地為O，以爐內(nèi)的電壓值為負(fù)，目的是構(gòu) 成一個(gè)負(fù)電場(chǎng)，以保證正離子向基體運(yùn)動(dòng)；自偏壓是指靠射頻放 電產(chǎn)生的正負(fù)電子移動(dòng)的速度不一樣，造成一個(gè)正負(fù)電子不對(duì)稱 的狀況，形成自偏壓，從而有助于將靶材濺射出來(lái)。本發(fā)明可用于機(jī)械性的設(shè)備表面的防摩擦，尤應(yīng)用在精密儀 器上具有很好的效果。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與效益-1、 本發(fā)明所述的納米多層膜力學(xué)性能優(yōu)良、硬度高，薄膜與 基體的結(jié)合強(qiáng)度高，耐磨性能優(yōu)良，既可單獨(dú)使用。2、 Fe/Mo納米多層膜具有更多的層界和極多的晶界，其這一 特性為技術(shù)改進(jìn)提供了良好的條件。3、 本發(fā)明所述的納米多層膜的制備工藝——射頻濺射技術(shù)， 技術(shù)成熟、性能可靠、可操作性強(qiáng)、使用廣泛。4、 本發(fā)明Fe/Mo納米多層膜硬度高，具有"超硬性"，因此 可用于提高摩擦表面的耐磨性，多應(yīng)用于機(jī)械性設(shè)備，尤其在精 密儀器防摩擦應(yīng)用方面耐磨性能顯著。


圖1為射頻濺射設(shè)備工作示意圖；圖2為不同調(diào)制波長(zhǎng)納米多層膜與基體結(jié)合強(qiáng)度的劃痕曲線。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
如圖1所示，以下實(shí)施例所述的Fe/Mo納米多層膜的制備工 藝采用的設(shè)備為MIP-800型射頻濺射爐，工作時(shí)，將基體1置于 轉(zhuǎn)架2上，兩靶面3分別為射頻鐵靶和射頻鉬靶中的任意一種， 電壓、電流、靶面在基體上的停留時(shí)間等參數(shù)可調(diào)。工作時(shí)，基 體旋轉(zhuǎn)到Mo靶面前則沉積Mo層，旋轉(zhuǎn)到Fe靶面前則沉積Fe層， 從而實(shí)現(xiàn)交替沉積，具體工藝參數(shù)見(jiàn)實(shí)施例。其他廠家生產(chǎn)的用 于射頻濺射多層膜的不同型號(hào)的射頻濺射設(shè)備也可以應(yīng)用于本 發(fā)明，只要依據(jù)本發(fā)明限定的工藝參數(shù)進(jìn)行操作，均可得到本發(fā) 明所述產(chǎn)品。以下實(shí)施例均以45#鋼作為成膜基體，基體與靶材的距離為 1 2厘米。 實(shí)施例1在兩個(gè)靶源位置分別放置Mo靶和Fe靶； 采用靶材的純度為Fe靶90 99. 99%; Mo耙90 99. 95%;鍍膜前基片加熱至5CTC; 工作氣體為99. 999%的高純Ar氣； 真空度2X10"Pa; 工作氣壓為2X10—2Pa;為提高沉積效率加負(fù)偏壓50V;設(shè)定電壓500V，電流100mA，自偏壓450V，濺射功率100W;沉積Mo層時(shí)，基體在Mo靶前停留時(shí)間為9.37秒，沉積 速率16nm/min;沉積Fe層時(shí)，基體在Fe耙前停留時(shí)間為10秒，沉積速 率15nm/min;最終得到的Fe/Mo納米多層膜雙子層厚度為5nm。
實(shí)施例2在兩個(gè)耙源位置分別放置Mo靶和Fe靶； 采用靶材的純度為Fe靶90 99. 99%; Mo靶90 99. 95%; 鍍膜前基片加熱至IOO'C; 工作氣體為99. 999%的高純Ar氣； 真空度lX10_2Pa; 工作氣壓為5X10—ipa;為提高沉積效率加負(fù)偏壓120V;設(shè)定電壓800V，電流220mA，自偏壓750V,濺射功率200W; 沉積Mo層時(shí)，基體在Mo靶前停留時(shí)間為25秒，沉積速 率12nm/min;沉積Fe層時(shí)，基體在Fe靶前停留時(shí)間為40秒，沉積速 率7. 5mn/min;最終得到的Fe/Mo納米多層膜雙子層厚度為10nm。實(shí)施例3在兩個(gè)耙源位置分別放置Mo靶和Fe靶； 采用靶材的純度為Fe靶90 99. 99%; Mo靶90 99. 95%; 鍍膜前基片加熱至150'C; 工作氣體為99. 999%的高純Ar氣； 真空度2X10—2Pa;工作氣壓為2X10°Pa; 為提高沉積效率加負(fù)偏壓200V;設(shè)定電壓1000V,電流400mA，自偏壓950V，濺射功率300W; 沉積Mo層時(shí)，基體在Mo靶前停留時(shí)間為100秒，沉積速 率6nm/min;沉積Fe層時(shí)，基體在Fe靶前停留時(shí)間為100秒，沉積速 率6認(rèn)/min;最終得到的Fe/Mo納米多層膜雙子層厚度為20nm。 經(jīng)檢測(cè)，上述三個(gè)實(shí)施例的Fe/Mo納米多層膜力學(xué)性能參數(shù) 見(jiàn)表l，與金屬的結(jié)合強(qiáng)度分析見(jiàn)圖2。表1\，制波長(zhǎng) 納^\ 學(xué)性能\單質(zhì)Fe膜單質(zhì)Mo膜5nm10nm20nm納米硬度 (GPa)2.652.卯4.203.152.95表1為納米壓痕儀所測(cè)不同調(diào)制波長(zhǎng)Fe/Mo納米多層膜的納 米硬度。由于單質(zhì)Fe膜、Mo膜的納米硬度分別為2.65GPa和 2.90GPa，而Fe/Mo納米多層膜在雙子層厚度，即調(diào)制波長(zhǎng)為5nm、 10nm和20nm時(shí)的納米硬度分別為4. 20GPa、3. 15GPa和2. 95GPa。 可見(jiàn)在低調(diào)制波長(zhǎng)下，納米多層膜的納米硬度明顯高于單質(zhì)Fe 膜和Mo膜的硬度值，出現(xiàn)"超硬"現(xiàn)象，尤其在調(diào)制波長(zhǎng)為5 nm 時(shí)多層膜的硬度較單質(zhì)膜提高了 160%;隨著調(diào)制波長(zhǎng)的不斷增 加，納米多層膜的硬度逐漸回歸正常。如圖2所示為不同調(diào)制波長(zhǎng)Fe/Mo多層膜與鋼基體結(jié)合強(qiáng)度 的劃痕曲線?？梢?jiàn)結(jié)合強(qiáng)度值普遍很高，基本不隨調(diào)制波長(zhǎng)(雙 子層厚度)的變化而變化，基本穩(wěn)定在71. 1 74. 5 N之間，說(shuō) 明本發(fā)明所述的納米多層膜與基體結(jié)合緊密，薄膜得到基體有力 地支撐。
權(quán)利要求
1、一種Fe/Mo納米多層膜，其特征在于，其是在基體上通過(guò)雙靶射頻濺射交替沉積Fe層和Mo層制成的。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種Fe/Mo納米多層膜，其特征 在于，所述Fe層和Mo層厚度之比為0.95 1.05，雙子層厚度 為5 20nm，該納米多層膜總厚度為1 3 u m。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種Fe/Mo納米多層膜，其特征 在于，所述的Fe/Mo納米多層膜首層為Mo層，交替沉積后的末 層為Fe層o
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種Fe/Mo納米多層膜，其特征 在于，所述的基體為陶瓷或金屬。
5、 一種Fe/Mo納米多層膜的制備工藝，其特征在于，首先 將基體加熱至50 150°C，靶材采用純度為90 99. 99%的Fe 靶和純度為90 99.95%的Mo靶，然后在2 X 10_2 2 X 10QPa的 Ar氣氛中在基體上通過(guò)雙靶射頻濺射交替沉積Fe層和Mo層最 終制成Fe/Mo納米多層膜。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種Fe/Mo納米多層膜的制備工 藝，其特征在于，所述Fe層和Mo層的厚度由基體在靶前的停留 時(shí)間及沉積速率來(lái)控制，沉積Mo層時(shí)，基體在Mo耙前停留時(shí)間 為9 100秒，沉積速率為6 16 nm/min;沉積Fe層時(shí)，基體 在Fe靶前停留時(shí)間為10 100秒，沉積速率為6 15nm/min。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的Fe/Mo納米多層膜的制備工藝， 其特征在于，所述雙靶射頻濺射交替沉積時(shí)的自偏壓為450 950V，濺射功率為100 300W，基體與靶材的距離為1 2厘米。
8、 根據(jù),;乂利要求7所述的一種Fe/Mo納米多層膜的制備工 藝，其特征在于，所述雙靶射頻濺射交替沉積時(shí)加負(fù)偏壓50 200V。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種Fe/Mo納米多層膜，其是由Fe層和Mo層交替沉積在基體上組成的，F(xiàn)e層和Mo層厚度之比為0.95～1.05，雙子層厚度為5～20nm，該納米多層膜總厚度為1～3μm。所述的納米多層膜力學(xué)性能優(yōu)良、硬度高，薄膜與基體的結(jié)合強(qiáng)度高，耐磨性能優(yōu)良；本發(fā)明Fe/Mo納米多層膜硬度高，具有“超硬性”，因此可用于提高摩擦表面的耐磨性，多應(yīng)用于機(jī)械性設(shè)備，尤其在精密儀器防摩擦應(yīng)用方面耐磨性能顯著。
文檔編號(hào)C23C14/14GK101126151SQ200610152998
公開(kāi)日2008年2月20日 申請(qǐng)日期2006年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月16日
發(fā)明者劉家浚, 徐濱士, 王海斗 申請(qǐng)人:王海斗;劉家浚;徐濱士