CN100532632C - Fe/Mo纳米多层膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Fe/Mo纳米多层膜，其是由Fe层和Mo层交替沉积在基体上组成的，Fe层和Mo层厚度之比为0.95～1.05，双子层厚度为5～20nm，该纳米多层膜总厚度为1～3μm。所述的纳米多层膜力学性能优良、硬度高，薄膜与基体的结合强度高，耐磨性能优良；本发明Fe/Mo纳米多层膜硬度高，具有“超硬性”，因此可用于提高摩擦表面的耐磨性，多应用于机械性设备，尤其在精密仪器防摩擦应用方面耐磨性能显著。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米多层膜，具体地说是一种溅射技术制备的Fe/Mo纳米多层膜。
背景技术
固体润滑薄膜通过阻止摩擦副之间的直接接触，可以有效避免摩擦副的粘着磨损和应变疲劳，因而能够显著提高摩擦副材料的摩擦学性能。目前，具有层状结构、低剪切强度特性的硫化物固体润滑材料，是机械设备中摩擦副表面应用得最多的固体润滑薄膜类型，在改善摩擦副的润滑状态方面发挥了很大作用，例如硫化亚铁(FeS)、二硫化钼(MoS2)等。但是这种单质Fe膜和单质Mo膜的从硬度及弹性模量方面来说已经不能达到现有技术设备所要求的标准，尤其是精密仪器。
金属/金属型纳米多层膜是人们研究较早的一种纳米多层膜。1977年Yang WMC等(Journal of Applied Physics.1977，48(2)：876-879)发现了Au/Ni系中的超模量效应，但目前国际上许多科学家对超模量效应持怀疑态度，因为不同作者的模量测试结果分散性很大。Anita 1997年6月研究Cu/Fe纳米多层膜时发现，当调制波长下降到30纳米时，多层膜的硬度增大了将近100％，硬度值与调制波长呈H～λ-1/2的关系。Cammarata(ThinSolid Films.1994，240(1)：82-87)、F artash(Physical Review B.1991，44(24)：13760-13763.)和Lehozky(Journal of AppliedPhysics.1978，49(11)：5479-5485.)分别研究了Cu/Ni、Cu/Nb和Al/Cu纳米多层膜，都发现了硬度的提高。他们认为这硬度的提高可能是超模量效应所致，但由于在卸载过程中并未发现弹性异常，因此他们又推断可能是另一种机制在起作用，如类似于多晶材料中晶粒边界的硬化作用。
据查阅国际最新文献知，现有的金属/金属型纳米多层膜的组成金属一般以较软的金属为主，如金(Au)、铜(Cu)、镍(Ni)、铌(Nb)等，组成如Au/Ni、Cu/Fe、Cu/Ni、Cu/Nb等纳米多层膜。但是，调研发现，现有的Au/Ni、Cu/Fe、Cu/Ni、Cu/Nb纳米多层膜在最佳调制波长下的最高硬度只有3.5GPa，平均硬度仅为2.2GPa。又由于硬质金属纳米多层膜不易制备等原因，目前尚未发现本领域内有研制出硬质金属(如钼Mo、钽Ta等)作为组成金属的金属/金属型纳米多层膜。
到目前为止，上述对金属/金属型纳米多层膜的研究具有很大的局限性，其均仅处于物理性能检测方面，并没有上升到摩擦学方面的应用研究。且上述Au/Ni、Cu/Fe、Cu/Ni、Cu/Nb等纳米多层膜在硬度、弹性模量和与金属的结合度方面仍存在缺陷，所以不适用于机器设备中的抗磨擦应用，尤其是精密仪器。
现阶段，固体润滑薄膜的润滑效率需要不断提高，固体润滑薄膜的种类需要不断拓展，固体润滑薄膜对苛刻工况的适应性需要不断加强。在这种背景下，性能明显优于现有固体润滑薄膜，且适用于精密摩擦副表面的固体润滑薄膜是材料学家们研究的重点内容。
发明内容
因此，本发明提出一种制膜方法新颖简便、摩擦学性能优异的固体润滑Fe/Mo纳米多层膜。
本发明的另一目的是提供一种制备上述纳米多层膜的方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种Fe/Mo纳米多层膜，其是在基体上通过双靶射频溅射交替沉积Fe层和Mo层制成的，所述Fe层和Mo层厚度之比为0.95～1.05，即Fe层和Mo层厚度基本相同，可以上下浮动稍有误差。双子层厚度即调制波长为5～20nm，纳米多层膜总厚度为1～3μm；其中，双子层厚度是指单一Fe层和单一Mo层的厚度之和。
上述的Fe/Mo纳米多层膜沉积的首层为Mo层，交替沉积后的末层为Fe层，即基体的基底层为Mo层，最外层为Fe层。
本发明所述的Fe/Mo纳米多层膜多应用于机械性设备，与沉积基体间结合强度强，沉积基体可以为金属或陶瓷等，最佳沉积基体为金属。
本发明所述的Fe/Mo纳米多层膜的制备工艺如下：首先将基体加热至：50～150℃，靶材采用纯度为90～99.99％的Fe靶和纯度为90～99.95％的Mo靶，然后在2×140-2～2×100Pa的Ar气氛中(真空度为：2×140-4～2×10-2Pa)在基体上通过双靶溅射交替沉积Fe层和Mo层最终制成Fe/Mo纳米多层膜。
上述的Fe/Mo纳米多层膜的制备工艺采用的设备为射频溅射炉，如图1所示，工作时，将基体置于转架上，两靶面分别为射频铁靶和射频钼靶中的一种，电压、电流、靶面在基体上的停留时间等参数可调。工作时，基体旋转到Mo靶面前则沉积Mo层，旋转到Fe靶面前则沉积Fe层，从而实现交替沉积。
本发明所用钼靶由粉末冶金高温加工而成，铁靶由熔炼烧结而成，均属公知技术。所述靶材也可根据实际需要在北京有色金属研究总院进行定做。
上述的Fe/Mo纳米多层膜的制备工艺，其中，Fe层和Mo层的厚度由基体在靶前的停留时间及沉积速率来控制，沉积Mo层时，基体在Mo靶前停留时间为：9～100秒，沉积速率为6～16nm/min；沉积Fe层时，基体在Fe靶前停留时间为：10～100秒，沉积速率为6～15nm/min。
上述的Fe/Mo纳米多层膜的制备工艺，其中所述双靶溅射的电压为500～1000V，电流为100～400mA，自偏压为450～950V，溅射功率为100～300W；基体与靶材的距离为1～2厘米。
上述Fe/Mo纳米多层膜的制备工艺，其中，为了提高沉积效率，交替沉积时加负偏压：50～200V。
上述负偏压是指以地为0，以炉内的电压值为负，目的是构成一个负电场，以保证正离子向基体运动；自偏压是指靠射频放电产生的正负电子移动的速度不一样，造成一个正负电子不对称的状况，形成自偏压，从而有助于将靶材溅射出来。
本发明可用于机械性的设备表面的防摩擦，尤应用在精密仪器上具有很好的效果。
本发明的优点与效益：
1、本发明所述的纳米多层膜力学性能优良、硬度高，薄膜与基体的结合强度高，耐磨性能优良，既可单独使用。
2、Fe/Mo纳米多层膜具有更多的层界和极多的晶界，其这一特性为技术改进提供了良好的条件。
3、本发明所述的纳米多层膜的制备工艺——射频溅射技术，技术成熟、性能可靠、可操作性强、使用广泛。
4、本发明Fe/Mo纳米多层膜硬度高，具有“超硬性”，因此可用于提高摩擦表面的耐磨性，多应用于机械性设备，尤其在精密仪器防摩擦应用方面耐磨性能显著。
附图说明
图1为射频溅射设备工作示意图；
图2为不同调制波长纳米多层膜与基体结合强度的划痕曲线。
具体实施方式
现结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，以下实施例所述的Fe/Mo纳米多层膜的制备工艺采用的设备为MIP-800型射频溅射炉，工作时，将基体1置于转架2上，两靶面3分别为射频铁靶和射频钼靶中的任意一种，电压、电流、靶面在基体上的停留时间等参数可调。工作时，基体旋转到Mo靶面前则沉积Mo层，旋转到Fe靶面前则沉积Fe层，从而实现交替沉积，具体工艺参数见实施例。其他厂家生产的用于射频溅射多层膜的不同型号的射频溅射设备也可以应用于本发明，只要依据本发明限定的工艺参数进行操作，均可得到本发明所述产品。
以下实施例均以45#钢作为成膜基体，基体与靶材的距离为1～2厘米。
实施例1
在两个靶源位置分别放置Mo靶和Fe靶；
采用靶材的纯度为：Fe靶90～99.99％；Mo靶90～99.95％；
镀膜前基片加热至：50℃；
工作气体为：99.999％的高纯Ar气；
真空度：2×140-4Pa；
工作气压为：2×140-2Pa；
为提高沉积效率加负偏压：50V；
设定电压：500V，电流1400mA，自偏压450V，溅射功率1400W；
沉积Mo层时，基体在Mo靶前停留时间为：9.37秒，沉积速率16nm/min；
沉积Fe层时，基体在Fe靶前停留时间为：10秒，沉积速率15nm/min；
最终得到的Fe/Mo纳米多层膜双子层厚度为5nm。
实施例2
在两个靶源位置分别放置Mo靶和Fe靶；
采用靶材的纯度为：Fe靶90～99.99％；Mo靶90～99.95％；
镀膜前基片加热至：100℃；
工作气体为：99.999％的高纯Ar气；
真空度：1×10-2Pa；
工作气压为：5×10-1Pa；
为提高沉积效率加负偏压：120V；
设定电压：800V，电流220mA，自偏压750V，溅射功率200W；
沉积Mo层时，基体在Mo靶前停留时间为：25秒，沉积速率12nm/min；
沉积Fe层时，基体在Fe靶前停留时间为：40秒，沉积速率7.5nm/min；
最终得到的Fe/Mo纳米多层膜双子层厚度为140nm。
实施例3
在两个靶源位置分别放置Mo靶和Fe靶；
采用靶材的纯度为：Fe靶90～99.99％；Mo靶90～99.95％；
镀膜前基片加热至：150℃；
工作气体为：99.999％的高纯Ar气；
真空度：2×10-2Pa；
工作气压为：2×100Pa；
为提高沉积效率加负偏压：200V；
设定电压：1000V，电流400mA，自偏压950V，溅射功率300W；
沉积Mo层时，基体在Mo靶前停留时间为：100秒，沉积速率6nm/min；
沉积Fe层时，基体在Fe靶前停留时间为：100秒，沉积速率6nm/min；
最终得到的Fe/Mo纳米多层膜双子层厚度为20nm。
经检测，上述三个实施例的Fe/Mo纳米多层膜力学性能参数见表1，与金属的结合强度分析见图2。
表1
表1为纳米压痕仪所测不同调制波长Fe/Mo纳米多层膜的纳米硬度。由于单质Fe膜、Mo膜的纳米硬度分别为2.65GPa和2.90GPa，而Fe/Mo纳米多层膜在双子层厚度，即调制波长为5nm、10nm和20nm时的纳米硬度分别为4.20GPa、3.15GPa和2.95GPa。可见在低调制波长下，纳米多层膜的纳米硬度明显高于单质Fe膜和Mo膜的硬度值，出现“超硬”现象，尤其在调制波长为5nm时多层膜的硬度较单质膜提高了160％；随着调制波长的不断增加，纳米多层膜的硬度逐渐回归正常。
如图2所示为不同调制波长Fe/Mo多层膜与钢基体结合强度的划痕曲线。可见结合强度值普遍很高，基本不随调制波长(双子层厚度)的变化而变化，基本稳定在71.1～74.5N之间，说明本发明所述的纳米多层膜与基体结合紧密，薄膜得到基体有力地支撑。
Claims (2)
1、一种Fe/Mo纳米多层膜的制备工艺，其特征在于，首先将基体加热至：50～150℃，靶材采用纯度为90～99.99％的Fe靶和纯度为90～99.95％的Mo靶，然后在2×10-2～2×100的Ar气氛中在基体上通过双靶射频溅射交替沉积Fe层和Mo层最终制成Fe/Mo纳米多层膜；所述Fe层和Mo层的厚度由基体在靶前的停留时间及沉积速率来控制，沉积Mo层时，基体在Mo靶前停留时间为：9～100秒，沉积速率为6～16nm/min；沉积Fe层时，基体在Fe靶前停留时间为：10～100秒，沉积速率为6～15nm/min；所述双靶溅射交替沉积时的自偏压为450～950V，溅射功率为100～300W，基体与靶材的距离为1～2厘米；所述双靶射频溅射交替沉积时加负偏压：50～200V。
2、一种Fe/Mo纳米多层膜，其特征在于，其是由权利要求1所述的方法制成；所述Fe层和Mo层厚度之比为0.95～1.05，双子层厚度为5～20nm，该纳米多层膜总厚度为1～3μm；所述的Fe/Mo纳米多层膜首层为Mo层，交替沉积后的末层为Fe层；所述的基体为陶瓷或金属。
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| Fe/Mo,Co/Mo多层膜的结构与磁性研究. 王宇，陶毅，崔福斋，李文治，范毓殿.真空科学与技术，第11卷第4期. 1991 |
| Fe/Mo,Co/Mo多层膜的结构与磁性研究. 王宇，陶毅，崔福斋，李文治，范毓殿.真空科学与技术，第11卷第4期. 1991 * |
| H. Fujimori.Journal of Magnetism and Magnetic Materials,Vol.第93卷 . 1991 |
| Magnetic anisotropy of Fe/Mo and Fe/Pd artificial superlattices. Y. Obi |
| Magnetic anisotropy of Fe/Mo and Fe/Pd artificial superlattices. Y. Obi；Y. Kawano；Y. Tange ；H. Fujimori.Journal of Magnetism and Magnetic Materials,Vol.第93卷 . 1991 * |
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