【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及涂層制備，尤其涉及一種硬質低摩擦tacn/nbcn納米多層膜及其制備方法。
技術介紹
1、隨著現代工業的快速發展，尤其是在航空航天、汽車制造和微電子等高端
，對材料的性能要求日益提高。材料的耐磨性成為決定其在工程應用中性能和壽命的關鍵因素，尤其是在高速、高溫和高負荷的工作條件下。因此，開發具有優異耐磨性能的新材料成為材料科學領域的研究熱點。傳統的高耐磨材料，如硬質合金和陶瓷材料，雖具有較高的硬度和耐磨性，但因其脆性大、韌性差，在沖擊載荷下易發生斷裂，限制了其應用范圍。同時，這些材料在高溫環境下的性能也受限，無法滿足現代工業對高性能材料的需求。因此，尋找一種兼具高硬度、高韌性和低摩擦系數的新材料成為一個迫切需要解決的問題。
2、過渡族金屬碳化物薄膜因其高硬度、高熔點、低摩擦系數、耐磨損、耐腐蝕、抗氧化等優異的物理與化學性能，被廣泛應用于航空航天、汽車工業、機械加工、地質鉆探等領域作為表面保護涂層。tac和nbc作為這類材料的代表，因其出色的性能而備受關注。然而單層膜在結構復雜性、特性和功能、性能和可靠性、殘余應力和熱機械完整性方面存在劣勢，這些因素限制了單層膜在高性能應用領域的使用，而多層膜因其結構和性能的多樣性和可定制性，在許多高級應用中顯示出更大的優勢。多弧離子鍍技術是納米多層膜制備常用的鍍膜方法之一，但目前使用該技術制備納米多層膜普遍采用交替頻繁地開啟和停止多弧靶的方法，使得每次靶材開啟的瞬間噴射出大熔滴數量較多，導致薄膜中大顆粒增加，嚴重影響到薄膜質量。為了解決現有技術的不足，本文采用多靶磁
3、本專利技術正是在這一背景下提出的，旨在提供一種硬質低摩擦tacn/nbcn納米多層膜及其制備方法，以解決現有技術中的上述問題，滿足現代工業對高性能材料的需求。
技術實現思路
1、本專利技術的目的在于提供一種硬質低摩擦tacn/nbcn納米多層膜及其制備方法，以本專利技術提供的低耐摩擦tacn/nbcn納米多層膜作為金屬的保護涂層，能夠顯著提高材料的硬度，降低摩擦系數。
2、為了實現上述專利技術目的，本專利技術提供以下技術方案：
3、一種硬質低摩擦tacn/nbcn納米多層膜，包括交替疊層設置為tacn納米層和nbcn納米層，底層為tacn層，表層為nbcn層，tacn層和nbcn層均為納米晶。
4、一個調制周期形成的tacn層和nbcn層的厚度比約為1:1，tacn/nbcn納米多層膜的總厚度在600~700?nm。
5、優選地，所述tacn納米層或nbcn納米層的厚度為4~30?nm。
6、優選地，所述tacn層和nbcn層的成分分別為：51?at.%ta，29?at.%c，20?at.%n，57at.%nb，24?at.%c，19?at.%n。
7、本專利技術提供了上述技術方案所述耐摩擦tacn/nbcn納米多層膜的制備方法，包括以下步驟：
8、采用多靶磁控濺射技術，以tac靶和nbc靶為濺射靶材分別對襯底進行交替濺射，得到耐摩擦tacn/nbcn納米多層膜。
9、優選的，所述tac靶、nbc靶中ta和c的以及nb和c原子百分比含量的比值均為1~2。
10、優選的，交替濺射的步驟為：真空條件下，打開tac靶和nbc靶的擋板，在ar氣和n2氣氛圍下進行交替濺射，其中，ar的氣體流量為60~80?sccm，n2的氣體流量為15~20?sccm交替濺射的氣壓為0.6~1.0?pa，基底的偏壓為-60~-200?v，tac靶的濺射電流為0.1~0.5?a，nbc靶的濺射電流為0.1~0.5?a，基體轉速為1~10?r/min。
11、優選的，交替濺射中，真空條件為不高于5×10-4?pa，tac靶、nbc靶與基底之間的距離為60~80?mm，tac靶和nbc靶均采用直流電源控制濺射電流且濺射電流均為0.1~0.5?a，tacn層的濺射時間為8~60?s，nbcn層的濺射時間為10~74?s，一個tacn層和一個nbcn層作為一個調制周期，重復交替沉積至預設調制周期后，冷卻到室溫得到tacn/nbcn納米多層膜。
12、優選的，所述基底為硅片、ti-6al-4v片、不銹鋼片中的至少一種。
13、本專利技術提供了上述技術方案所述耐摩擦tacn/nbcn納米多層膜或上述技術方案所述制備方法制備得到的耐摩擦tacn/nbcn納米多層膜作為保護涂層的應用。
14、本專利技術提供了一種硬質低摩擦tacn/nbcn納米多層膜，包括交替疊層設置的tacn納米層和nbcn納米層；所述tacn/nbcn納米多層膜具有良好的周期結構。在本專利技術中，所述tacn/nbcn納米多層膜具有較高的硬度，能夠提供力學支撐；且在摩擦過程中tacn納米層和nbcn納米層均能產生潤滑物質，本專利技術構筑的tacn/nbcn納米多層膜能夠結合各納米層的優勢并通過各納米層的協同作用，將高硬度和優異摩擦學性能一體化，得到耐摩擦的納米多層薄膜。本專利技術提供的耐摩擦tacn/nbcn納米多層膜兼具高硬度和優異摩擦學性能，能夠作為一種耐摩擦的保護涂層，解決了材料表面易發生磨損的問題。以本專利技術提供的耐摩擦tacn/nbcn納米多層膜作為材料的保護涂層，能夠顯著提升材料硬度和降低材料的摩擦系數。
15、本專利技術提供的耐摩擦tacn/nbcn納米多層膜具有以下有益效果:
16、（1）本專利技術采用高硬度和高耐磨性的tacn和nbcn兩種薄膜材料，制備納米多層膜，提出兩種材料較為適宜的調制周期范圍：tacn為4~30?nm，nbcn為4~30?nm，將兩種薄膜材料交替沉積，以降低界面剪切應力，提升耐磨性。
17、（2）本專利技術在上述調制周期條件下所制得的tacn/nbcn納米多層膜，綜合了兩種薄膜材料的優點，硬度可達42.88?gpa，屬于超硬薄膜，摩擦因數最低為0.19，摩擦磨損性能優異。
18、（3）tacn和nbcn是多元超硬薄膜的典型代表。適量地摻入n元素可以改善二元的tac和nbc薄膜的性能。在tacn和nbcn，n原子部分替代ta-c、nb-c鍵的c原子，生成ta-n、nb-n鍵，并引起tacn和nbcn產生晶格畸變，使得其硬度顯著提升；摩擦后tacn和nbcn中的c元素主要以無定形碳的形式存在，這在摩擦過程中起到十分重要的潤滑作用，此外還會生成自潤滑的氧化物（nbox、taox），因此tacn/nbcn納米多層膜的耐磨性能優異。
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1.一種硬質低摩擦TaCN/NbCN納米多層膜，其特征在于，包括交替設置的TaCN層和NbCN層，底層為TaCN層，表層為NbCN層，TaCN層和NbCN層均為納米晶。
2.根據權利要求1所述TaCN/NbCN納米多層膜，其特征在于，以交替設置的一層TaCN和一層NbCN為一個調制周期，一個調制周期形成的TaCN層和NbCN層的厚度比約為1:1，所述TaCN層和NbCN層的成分分別為：51?at.%Ta，29?at.%C，20?at.%N，57?at.%Nb，24?at.%C，19at.%N，TaCN/NbCN納米多層膜的總厚度在700~900?nm，其硬度為34~42?GPa。
3.根據權利要求1或2所述的耐摩擦TaCN/NbCN納米多層膜，其特征在于，所述TaCN或NbCN的單層厚度為4~30?nm，調制周期總數為10~75個。
4.根據權利要求1~3任一項所述耐摩擦TaCN/NbCN納米多層膜的制備方法，其特征在于，包括采用多靶磁控濺射技術，以TaC靶和NbC靶為濺射靶材分別對襯底進行交替濺射，得到耐摩擦TaCN/NbCN納米多層膜。p>
5.根據權利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述TaC靶和NbC靶中Ta和C以及Nb和C的原子百分比含量的比值均為1~2。
6.根據權利要求4所述的耐摩擦TaCN/NbCN納米多層膜的制備方法，其特征在于，交替濺射之前先對基底進行預濺射，預濺射步驟為：打開TaC靶材擋板，在Ar氣氛圍下，對基底進行預濺射，其中，Ar的氣體流量為60~80?sccm，預濺射的氣壓為0.6~1.0?Pa，TaC靶材的預濺射電流均為0.1~0.5?A，預濺射時間為3~5?min，基體轉速為1~10?r/min。
7.根據權利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述TaC靶、NbC靶和襯底的間距為60~80?mm。交替濺射步驟為：真空條件下，打開TaC靶材和NbC靶材的擋板，在Ar氣和N2氣氛圍下交替濺射，其中，Ar的氣體流量為60~80?sccm，N2的氣體流量為15~20?sccm，交替濺射的氣壓為0.6~1.0?Pa，基底的偏壓為-60~-100?V。
8.根據權利要求7所述的制備方法，其特征在于，TaC靶和NbC靶均采用直流電源控制濺射電流且濺射電流均為0.1~0.5?A，濺射前真空條件為不高于5×10-4?Pa，TaCN層的濺射時間為8~60?s，NbCN層的濺射時間為10~74?s，一個TaCN層和一個NbCN層作為一個調制周期，重復交替沉積至預設調制周期后，冷卻到室溫得到TaCN/NbCN納米多層膜。
9.權利要求1~3任一項所述耐摩擦TaCN/NbCN納米多層膜或權利要求4~8任一項所述制備方法制備得到的耐摩擦TaCN/NbCN納米多層膜作為保護涂層的應用。
...【技術特征摘要】
1.一種硬質低摩擦tacn/nbcn納米多層膜，其特征在于，包括交替設置的tacn層和nbcn層，底層為tacn層，表層為nbcn層，tacn層和nbcn層均為納米晶。
2.根據權利要求1所述tacn/nbcn納米多層膜，其特征在于，以交替設置的一層tacn和一層nbcn為一個調制周期，一個調制周期形成的tacn層和nbcn層的厚度比約為1:1，所述tacn層和nbcn層的成分分別為：51?at.%ta，29?at.%c，20?at.%n，57?at.%nb，24?at.%c，19at.%n，tacn/nbcn納米多層膜的總厚度在700~900?nm，其硬度為34~42?gpa。
3.根據權利要求1或2所述的耐摩擦tacn/nbcn納米多層膜，其特征在于，所述tacn或nbcn的單層厚度為4~30?nm，調制周期總數為10~75個。
4.根據權利要求1~3任一項所述耐摩擦tacn/nbcn納米多層膜的制備方法，其特征在于，包括采用多靶磁控濺射技術，以tac靶和nbc靶為濺射靶材分別對襯底進行交替濺射，得到耐摩擦tacn/nbcn納米多層膜。
5.根據權利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述tac靶和nbc靶中ta和c以及nb和c的原子百分比含量的比值均為1~2。
6.根據權利要求4所述的耐摩擦tacn/nbcn納米多層膜的制備方法，...
【專利技術屬性】
技術研發人員：杜蘇軒，高明森，王順，趙朕龍，王坤瑞，徐長杰，趙志偉，
申請(專利權)人：河南工業大學，
類型：發明
國別省市：
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