CN108265272B - 纳米多层氮化硅陶瓷涂层、其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米多层氮化硅陶瓷涂层、其制备方法与应用。所述涂层包括直流反应溅射氮化硅层和射频溅射氮化硅层交替层叠形成的多层结构。所述涂层的制备方法包括：以单晶硅靶和/或氮化硅靶作为阴极，以惰性气体及氮气作为工作气体，采用直流反应溅射技术和射频溅射技术在基材上沉积形成所述纳米多层氮化硅陶瓷涂层，所述纳米多层氮化硅陶瓷涂层包括交替层叠的直流反应溅射氮化硅层和射频溅射氮化硅层。本发明的纳米多层氮化硅陶瓷涂层与多孔陶瓷基材等结合性良好，且具有结构致密、厚度可控、高硬度、低内应力、无宏观缺陷等优势，可应用于各种介质的精密过滤与分离、高温透波/吸波、电解隔膜等多种领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种氮化硅涂层，尤其涉及到一种高硬度、高结合力、高韧性的纳米多层超厚氮化硅陶瓷涂层、其制备方法与应用，属于材料表面处理技术领域。
背景技术
多孔陶瓷是指具有一定尺寸和数量的孔隙结构的新型陶瓷材料。多孔陶瓷内部具有大量均匀分布的通孔或闭合孔，因此多孔陶瓷具有体积密度小、比表面较大等独特的物理表面特性。多孔陶瓷的上述特性可以确保其对液体、气体、电磁波等介质形成选择性的透过、能量吸收或阻尼特性，因而在各种介质的精密过滤与分离、高压气体排气消音、高温透波/吸波、电解隔膜等领域获得广泛应用。
但是，多孔陶瓷的众多应用，如精密过滤与分离、高压气体排气消音、高温透波/吸波、电解隔膜等均需要陶瓷表面存在非对称性涂层。目前，非对称性陶瓷涂层的制备方法通常有固相烧结法、溶胶-凝胶法、水热合成法、化学气相沉积法(CVD)等，而上述各种工艺技术均存在优点与不足。
以氮化硅陶瓷涂层为例，目前主要采用化学气相沉积法(CVD)和溶胶-凝胶法制备氮化硅陶瓷涂层，该方法所沉积的致密氮化硅涂层具有高的机械强度、低介电常数及介电损耗等特性。但是，CVD镀膜过程中需使用有害气体，且CVD腔体不易于制备大的样品，因而限制了该技术的应用。此外，作为耐磨、防护、阻隔作用的陶瓷涂层，现有的单一层结构，因其不可避免存在微裂纹等问题而通常会造成涂层整体性能的下降，极大限制了涂层的服役安全性与稳定性。因此，制备技术优化与微观结构调控是改进涂层的有效途径。
因此，如何对陶瓷涂层制备技术进行优化，寻求一种高效、便捷的优质氮化硅陶瓷涂层制备技术是业界研发人员的重点研究领域。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种纳米多层氮化硅陶瓷涂层、其制备方法与应用，以克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种纳米多层氮化硅陶瓷涂层的制备方法，其包括：
提供基材；
以单晶硅靶和/或氮化硅靶作为阴极，并以惰性气体及氮气作为工作气体，采用直流反应溅射技术和射频溅射技术在所述基材上沉积形成所述纳米多层氮化硅陶瓷涂层，所述纳米多层氮化硅陶瓷涂层包括交替层叠的直流反应溅射氮化硅层和射频溅射氮化硅层。
在一些实施方案中，所述的制备方法具体包括：
(1)提供基材；
(2)以等离子体溅射清洗所述基材；
(3)以单晶硅靶和/或氮化硅靶作为阴极，并以惰性气体及氮气作为工作气体，采用直流反应溅射技术沉积形成直流反应溅射氮化硅层，并采用射频溅射技术沉积形成射频溅射氮化硅层，且使所述直流反应溅射氮化硅层和射频溅射氮化硅层在所述基材上交替层叠，从而形成所述纳米多层氮化硅陶瓷涂层。
作为优选实施方案之一，所述的制备方法包括：以单晶硅靶为阴极，惰性气体及氮气作为工作气体，采用直流反应溅射技术沉积形成所述直流反应溅射氮化硅层。
作为优选实施方案之一，所述的制备方法包括：以氮化硅靶为阴极，惰性气体及氮气作为工作气体，采用射频溅射技术沉积形成所述射频溅射氮化硅层。
本发明实施例还提供了一种纳米多层氮化硅陶瓷涂层，特别是由前述任一种方法制备的纳米多层氮化硅陶瓷涂层。
进一步的，所述纳米多层氮化硅陶瓷涂层包括在所述纳米多层氮化硅陶瓷涂层厚度方向上交替层叠的直流反应溅射氮化硅层和射频溅射氮化硅层。
进一步的，所述纳米多层氮化硅陶瓷涂层由在所述纳米多层氮化硅陶瓷涂层厚度方向交替层叠的直流反应溅射氮化硅层和射频溅射氮化硅层组成。
优选的，所述纳米多层氮化硅陶瓷涂层的厚度为5～50μm。
本发明实施例还提供了所述纳米多层氮化硅陶瓷涂层的用途。
例如，在一应用方案之中，本发明实施例还提供了一种涂层，其包含所述纳米多层氮化硅陶瓷涂层。
在另一应用方案之中，本发明实施例还提供了一种材料，其包括基材及形成于基体表面的涂层，所述涂层包括前述的任一种纳米多层氮化硅陶瓷涂层。
进一步的，前述的基材可优选自陶瓷基材，例如多孔氮化硅、氧化铝、氧化锆中的任意一种，且不限于此。
进一步的，所述的材料可以是精密过滤与分离材料、高温透波/吸波材料、电解隔膜材料等。
与现有技术相比，本发明的优点至少在于：
(1)本发明提供的纳米多层氮化硅陶瓷涂层具有直流反应溅射氮化硅层和射频溅射氮化硅层的交替叠层结构组成，相比单一的直流反应溅射氮化硅涂层或射频溅射氮化硅涂层，具有与多孔陶瓷基材的结合性良好、结构致密、厚度可控、高硬度、低内应力、无宏观缺陷、韧性更好等优势，可应用于各种介质的精密过滤与分离、高温透波/吸波、电解隔膜等多种领域。
(2)本发明提供的纳米多层氮化硅陶瓷涂层的制备方法，通过直流反应溅射/射频溅射两种技术结合交替沉积氮化硅涂层，结合直流反应溅射氮化硅层的高硬度及射频氮化硅层的高韧性，将纳米多层结构调制优化，可增加可沉积涂层的厚度，并大幅度降低涂层的内应力，从而制备出超厚陶瓷涂层，确保涂层在使用过程中具有更加优异的耐磨、耐压等特性，可以实现对基材，例如多孔陶瓷基体的有效防护，且基本不会对基材的性能造成损伤，以及还可提高涂层的服役安全性。
(3)本发明提供的纳米多层氮化硅陶瓷涂层的制备方法对样件外形尺寸限制小，可以制备大尺寸、异形样品等，适用范围广。
附图说明
图1是本发明一典型实施例制备的纳米多层氮化硅陶瓷涂层的结构示意图；
图2a-图2b是本发明实施例1制备的纳米多层氮化硅陶瓷涂层的截面形貌图；
图3是本发明实施例1制备的纳米多层氮化硅陶瓷涂层与单一氮化硅涂层的结合力对比示意图；
图4是本发明实施例1制备的纳米多层氮化硅陶瓷涂层与单一氮化硅涂层的硬度、弹性模量及塑性变形率的对比示意图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明实施例的一个方面提供了一种纳米多层氮化硅陶瓷涂层的制备方法，其包括：
提供基材；
以单晶硅靶和/或氮化硅靶作为阴极，并以惰性气体及氮气作为工作气体，采用直流反应溅射技术和射频溅射技术在所述基材上沉积形成所述纳米多层氮化硅陶瓷涂层，所述纳米多层氮化硅陶瓷涂层包括交替层叠的直流反应溅射氮化硅层和射频溅射氮化硅层。
在一些实施方案中，所述的制备方法具体包括：
(1)提供基材；
(2)以等离子体溅射清洗所述基材；
(3)以单晶硅靶和/或氮化硅靶作为阴极，并以惰性气体及氮气作为工作气体，采用直流反应溅射技术沉积形成直流反应溅射氮化硅层，并采用射频溅射技术沉积形成射频溅射氮化硅层，且使所述直流反应溅射氮化硅层和射频溅射氮化硅层在所述基材上交替层叠，从而形成所述纳米多层氮化硅陶瓷涂层。
更进一步的，在一些较为具体的实施方案中，所述制备方法包括：通过交替采用直流反应溅射/射频溅射技术，分别以单晶硅与氮化硅靶作为阴极，氩气及氮气作为工作气体，通过调控两种沉积工艺的交替沉积时间获得一定调制比的纳米多层氮化硅涂层，通过调控沉积时间控制涂层的厚度，从而在陶瓷基材上沉积具有结构致密、厚度可控、高硬度、高韧性、高结合力等优势纳米多层氮化硅陶瓷涂层。
进一步的，前述基材优选为陶瓷基材，例如多孔氮化硅、氧化铝、氧化锆等陶瓷材料中的任意一种，且不限于此。
作为优选实施方案之一，前述步骤(2)包括：将所述基材置于磁控溅射气相沉积系统中，利用氩等离子体进行溅射清洗，其中氩气气体流量为80～150sccm，偏压为-300～-700V，清洗时间为10～30min。
作为较佳实施方案之一，前述步骤(3)可以包括：交替采用直流反应溅射/射频溅射技术，分别以单晶硅靶与氮化硅靶作为阴极，氩气及氮气作为工作，控制直流电源功率为600W～1200W，射频电源的功率为300W～600W，偏压为-50～-150V，氩气流量为50～100sccm，氮气流量为120～180sccm，通过调控两种沉积工艺的交替沉积时间获得一定调制比的纳米多层氮化硅涂层，通过调控沉积时间控制涂层的厚度，从而在经步骤(2)处理后的陶瓷基材上沉积具有结构致密、厚度可控、高硬度、高韧性、高结合力等优势的纳米多层氮化硅陶瓷涂层。
进一步的，前述步骤(3)还可以包括：交替使用直流反应溅射/射频溅射沉积工艺制备氮化硅层，通过调控两种工艺的沉积时间制备不同调制比的纳米多层氮化硅陶瓷涂层。
作为优选实施方案之一，前述步骤(3)具体可以包括：以单晶硅靶为阴极，惰性气体及氮气作为工作气体，采用直流反应溅射技术沉积形成所述直流反应溅射氮化硅层。
更为优选的，前述直流反应溅射技术采用的工艺条件包括：电源功率为600～1200W，偏压为-50～-150V，磁控溅射气相沉积系统的镀膜腔体通入的气体为氩气、氮气，其中氩气流量为50～100sccm，氮气流量为120～180sccm，直流反应溅射的沉积时间为10～100min。
作为优选实施方案之一，前述步骤(3)具体可以包括：以氮化硅靶为阴极，惰性气体及氮气作为工作气体，采用射频溅射技术沉积形成所述射频溅射氮化硅层。
更为优选的，前述射频溅射技术采用的工艺条件包括：电源功率为300W～600W，偏压为-50～-150V，磁控溅射气相沉积系统的镀膜腔体通入的气体为氩气、氮气，其中氩气流量为50～100sccm，氮气流量为120～180sccm，射频溅射的沉积时间为10～100min。
在一些较佳实施例中，所述制备方法中采用的直流反应溅射和射频溅射的总沉积时间为5～50h。
更进一步的，所述制备方法中采用的直流反应溅射的总沉积时间与射频溅射的总沉积时间之比可以优选为1:1～8:1。
作为较佳实施方案之一，步骤(3)还可以包括：在磁控溅射沉积纳米多层氮化硅陶瓷涂层达到设定厚度后，停止镀膜，并继续向磁控溅射气相沉积系统的镀膜腔室内通入氮气和氩气，直至镀膜腔室内的温度降至100℃以下。
在本发明的一些更为典型的实施例之中，一种纳米多层氮化硅陶瓷涂层的制备方法可以包括以下步骤：
(1)选择多孔氮化硅、氧化铝、氧化锆等陶瓷材料为沉积的陶瓷基材；
(2)等离子体溅射清洗基材：将陶瓷基材至于磁控溅射气相沉积系统中，利用氩等离子体进行溅射清洗，氩气气体流量为80～150sccm，偏压为-300V～-700V，处理时间为10min～30min；
(3)直流反应溅射沉积氮化硅涂层：选择单晶硅靶为阴极，控制电源功率为600W至1200W，偏压为-50～-150V，镀膜腔体通入气体为氩气、氮气，其中氩气流量为50～100sccm，氮气流量为120～180sccm，利用反应磁控溅射技术制备氮化硅基封孔涂层；处理时间调制比为10min～100min；
(4)射频溅射沉积氮化硅涂层：选择氮化硅靶为阴极，控制电源功率为300W～600W，偏压为-50～-150V，镀膜腔体通入气体为氩气、氮气，其中氩气流量为50～100sccm，氮气流量为120～180sccm，利用射频溅射技术制备氮化硅涂层；处理时间调制比为10min～100min；
(5)纳米多层超厚氮化硅陶瓷涂层，交替重复步骤(3)(4)氮化硅层，制备纳米多层结构氮化硅陶瓷涂层，总沉积时间控制在5h～50h；
(6)待镀膜(即氮化硅基封孔涂层)达到适宜的厚度，停止镀膜，继续往腔体内通入氮气和氩气，直至腔体内温度降至100℃以下，取出镀膜后的样品。
进一步的，在前述步骤(6)中，通过直流反应溅射/射频溅射技术交替沉积氮化硅涂层，不仅可以结合直流反应溅射氮化硅层的高硬度及射频溅射氮化硅层的高韧性，同时还可增加可沉积涂层的厚度，并降低涂层内应力，提高涂层的服役安全性。
本发明实施例的另一个方面提供了一种纳米多层氮化硅陶瓷涂层，特别是由前述任一种方法制备的纳米多层氮化硅陶瓷涂层。
进一步的，所述纳米多层氮化硅陶瓷涂层包括在所述纳米多层氮化硅陶瓷涂层厚度方向上交替层叠的直流反应溅射氮化硅层和射频溅射氮化硅层。
进一步的，所述纳米多层氮化硅陶瓷涂层由在所述纳米多层氮化硅陶瓷涂层厚度方向交替层叠的直流反应溅射氮化硅层和射频溅射氮化硅层组成。
作为较佳实施方案之一，所述纳米多层氮化硅陶瓷涂层的厚度可以为5～50μm，以满足不同的需求。
优选的，所述直流反应溅射氮化硅层的单层厚度为0.5～2.5μm。
优选的，所述射频溅射氮化硅层的单层厚度为0.1～0.5μm。
进一步的，前述基材优选为陶瓷基材，例如多孔氮化硅、氧化铝、氧化锆等陶瓷材料中的任意一种，且不限于此。
更进一步的，前述基材可以是具有多孔结构的陶瓷基体。
所述纳米多层氮化硅陶瓷涂层与基材，特别是陶瓷基体结合良好，且具有结构致密、厚度可控、高硬度、高韧性、高结合力等优势，其硬度、结合力、韧性等均远远优于单层涂层。
本发明实施例还提供了所述纳米多层氮化硅陶瓷涂层的用途。
例如，在一应用方案之中，本发明实施例还提供了一种涂层，其包含所述纳米多层氮化硅陶瓷涂层。
在另一应用方案之中，本发明实施例还提供了一种材料，其包括基材及形成于基体表面的涂层，所述涂层包括前述的任一种纳米多层氮化硅陶瓷涂层。
进一步的，前述的基材可优选自陶瓷基材，例如多孔氮化硅、氧化铝、氧化锆中的任意一种，且不限于此。
另外，藉由本发明的技术方案，通过两种磁控技术复合制备纳米多层超厚氮化硅陶瓷涂层，获得了具有结构致密、厚度可控、高硬度、高韧性、高结合力的氮化硅涂层，可以实现对多孔基材的有效防护，且基本不会对多孔基材的性能造成损伤。
以下通过若干实施例进一步详细说明本发明的技术方案。然而，所选的实施例仅用于说明本发明，而不限制本发明的范围。
实施例1该纳米多层超厚氮化硅陶瓷涂层为沉积在多孔陶瓷基体上的、厚度为24.3μm的致密氮化硅涂层，涂层硬度为13.9GPa，塑性变形率65％。
该纳米多层超厚氮化硅涂层的制备工艺按照以下步骤进行：
(1)等离子溅射清洗基材，首先利用乙醇、丙酮对陶瓷基体进行超声清洗，干燥后装入磁控溅射设备真空腔体中进行氩等离子溅射清洗，具体工艺为：氩气流量120sccm，偏压-500V，处理时间30min；
(2)直流反应溅射沉积直流反应溅射氮化硅涂层(简称直流氮化硅层)，选择单晶硅靶为阴极，真空室压力为8.0*10-1Pa，控制电源功率为800W，偏压为-120V，氩气、氮气流量分别为60sccm、180sccm，处理时间为105min；
(3)射频溅射沉积射频溅射氮化硅涂层(简称射频氮化硅层)，选择氮化硅靶为阴极，真空室压力为1.0Pa，控制电源功率为400W，偏压为-120V，氩气、氮气流量分别为50sccm、150sccm，处理时间为15min；
(4)纳米多层超厚氮化硅涂层，交替重复步骤(2)、(3)沉积氮化硅层，制备纳米多层结构氮化硅涂层，交替次数为12次，总沉积时间为24h；
(5)待镀膜(即纳米多层超厚氮化硅陶瓷涂层，亦称氮化硅基封孔涂层)达到适宜的厚度，停止镀膜，继续往腔体内通入氮气和氩气，直至腔体内温度降至100℃以下，取出镀膜后的样品，即得到纳米多层超厚氮化硅涂层，涂层厚度为24.3μm，硬度为13.9GPa，塑性变形率为65％，其截面形貌图如图2a-图2b所示。
为了对比，该实施例1还给出直流反应溅射沉积氮化硅涂层和射频溅射氮化硅涂层的工艺，具体为：
一、直流反应溅射沉积单一直流反应溅射氮化硅涂层(对照组1，简称直流氮化硅层)，包括：
(1)等离子溅射清洗基材，首先利用乙醇、丙酮对陶瓷基体进行超声清洗，干燥后装入磁控溅射设备真空腔体中进行氩等离子溅射清洗，具体工艺为：氩气流量120sccm，偏压-500V，处理时间30min；(2)直流反应溅射沉积氮化硅涂层，选择单晶硅靶为阴极，真空室压力为8.0*10-1Pa，控制电源功率为800W，偏压为-120V，氩气、氮气流量分别为60sccm、180sccm，处理时间为720min；(3)待镀膜(即氮化硅基封孔涂层)达到适宜的厚度，停止镀膜，继续往腔体内通入氮气和氩气，直至腔体内温度降至100℃以下，取出镀膜后的样品，即得到单一直流反应溅射沉积氮化硅涂层。
二、射频溅射单一射频溅射氮化硅涂层(对照组2，简称射频氮化硅层)，包括：
(1)等离子溅射清洗基材，首先利用乙醇、丙酮对陶瓷基体进行超声清洗，干燥后装入磁控溅射设备真空腔体中进行氩等离子溅射清洗，具体工艺为：氩气流量120sccm，偏压-500V，处理时间30min；(2)射频溅射沉积氮化硅涂层，选择氮化硅靶为阴极，真空室压力为1.0Pa，控制电源功率为400W，偏压为-120V，氩气、氮气流量分别为50sccm、150sccm，处理时间为720min；(3)待镀膜(即氮化硅基封孔涂层)达到适宜的厚度，停止镀膜，继续往腔体内通入氮气和氩气，直至腔体内温度降至100℃以下，取出镀膜后的样品，即得到单一射频溅射氮化硅涂层。
本发明实施例1制备的纳米多层氮化硅陶瓷涂层与对照组1、2的单一氮化硅涂层的结合力对比示意图如图3所示，该三者的硬度、弹性模量及塑性变形率的对比示意图如图4所示。
实施例2该纳米多层超厚氮化硅陶瓷涂层(亦称氮化硅基封孔涂层)为沉积在多孔陶瓷基体上的、厚度为26.3μm的致密氮化硅涂层，涂层硬度为11.6GPa，塑性变形率68％。
该纳米多层超厚氮化硅涂层的制备工艺按照以下步骤进行：
(1)等离子溅射清洗基材，首先利用乙醇、丙酮对陶瓷基体进行超声清洗，干燥后装入磁控溅射设备真空腔体中进行氩等离子溅射清洗，具体工艺为：氩气流量120sccm，偏压-500V，处理时间30min；
(2)直流反应溅射沉积氮化硅涂层，选择单晶硅靶为阴极，真空室压力为8.0*10- 1Pa，控制电源功率为800W，偏压为-120V，氩气、氮气流量分别为60sccm、180sccm，处理时间为60min；
(3)射频溅射沉积氮化硅涂层，选择氮化硅靶为阴极，真空室压力为1.0Pa，控制电源功率为400W，偏压为-120V，氩气、氮气流量分别为50sccm、150sccm，处理时间为15min；
(4)纳米多层超厚氮化硅涂层，交替重复步骤(2)、(3)沉积氮化硅层，制备纳米多层结构氮化硅涂层，交替次数为19次，总沉积时间为23h45min；
(5)待镀膜(即氮化硅基封孔涂层)达到适宜的厚度，停止镀膜，继续往腔体内通入氮气和氩气，直至腔体内温度降至100℃以下，取出镀膜后的样品，即得到纳米多层超厚氮化硅涂层，涂层厚度为26.3μm，硬度为11.6GPa，塑性变形率为68％。
实施例3该纳米多层超厚氮化硅陶瓷涂层(亦称氮化硅基封孔涂层)为沉积于多孔氮化硅基体上的、厚度为26.5μm的致密氮化硅涂层，涂层硬度为9.3GPa，塑性变形率69％。
该纳米多层超厚氮化硅涂层的制备工艺按照以下步骤进行：
(1)等离子溅射清洗基材，首先利用乙醇、丙酮对陶瓷基体进行超声清洗，干燥后装入磁控溅射设备真空腔体中进行氩等离子溅射清洗，具体工艺为：氩气流量120sccm，偏压-500V，处理时间30min；
(2)直流反应溅射沉积氮化硅涂层，选择单晶硅靶为阴极，真空室压力为8.0*10- 1Pa，控制电源功率为800W，偏压为-120V，氩气、氮气流量分别为60sccm、180sccm，处理时间为60min；
(3)射频溅射沉积氮化硅涂层，选择氮化硅靶为阴极，真空室压力为1.0Pa，控制电源功率为400W，偏压为-120V，氩气、氮气流量分别为50sccm、150sccm，处理时间为30min；
(4)纳米多层超厚氮化硅涂层，交替重复步骤(2)、(3)沉积氮化硅层，制备纳米多层结构氮化硅涂层，交替次数为16次，总沉积时间为24h；
(5)待镀膜(即氮化硅基封孔涂层)达到适宜的厚度，停止镀膜，继续往腔体内通入氮气和氩气，直至腔体内温度降至100℃以下，取出镀膜后的样品，即得到纳米多层超厚氮化硅涂层，涂层厚度为26.5μm，硬度为9.3GPa，塑性变形率为69％。
实施例4该纳米多层超厚氮化硅陶瓷涂层(亦称氮化硅基封孔涂层)为沉积在多孔氮化硅基体上的、厚度为23.1μm的致密氮化硅涂层，涂层硬度为8.3GPa，塑性变形率70％。
该纳米多层超厚氮化硅涂层的制备工艺按照以下步骤进行：
(1)等离子溅射清洗基材，首先利用乙醇、丙酮对陶瓷基体进行超声清洗，干燥后装入磁控溅射设备真空腔体中进行氩等离子溅射清洗，具体工艺为：氩气流量120sccm，偏压-500V，处理时间30min；
(2)直流反应溅射沉积氮化硅涂层，选择单晶硅靶为阴极，真空室压力为8.0*10- 1Pa，控制电源功率为800W，偏压为-120V，氩气、氮气流量分别为60sccm、180sccm，处理时间为60min；
(3)射频溅射沉积氮化硅涂层，选择氮化硅靶为阴极，真空室压力为1.0Pa，控制电源功率为400W，偏压为-120V，氩气、氮气流量分别为50sccm、150sccm，处理时间为60min；
(4)纳米多层超厚氮化硅涂层，交替重复步骤(2)、(3)沉积氮化硅层，制备纳米多层结构氮化硅涂层，交替次数为12次，总沉积时间为24h；
(5)待镀膜(即氮化硅基封孔涂层)达到适宜的厚度，停止镀膜，继续往腔体内通入氮气和氩气，直至腔体内温度降至100℃以下，取出镀膜后的样品，即得到纳米多层超厚氮化硅涂层，涂层厚度为23.1μm，硬度为8.3GPa，塑性变形率为70％。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种纳米多层氮化硅陶瓷涂层的制备方法，其特征在于包括：
（1）提供基材；
（2）以等离子体溅射清洗所述基材；
（3）以单晶硅靶和/或氮化硅靶作为阴极，并以惰性气体及氮气作为工作气体，采用直流反应溅射技术沉积形成直流反应溅射氮化硅层，并采用射频溅射技术沉积形成射频溅射氮化硅层，且使所述直流反应溅射氮化硅层和射频溅射氮化硅层在所述基材上交替层叠，从而形成所述纳米多层氮化硅陶瓷涂层；
所述直流反应溅射技术采用的工艺条件包括：电源功率为600～1200W，偏压为-50～-150V，磁控溅射气相沉积系统的镀膜腔体通入的气体为氩气和氮气，其中氩气流量为50～100sccm，氮气流量为120～180sccm，直流反应溅射的沉积时间为10～100min；
所述射频溅射技术的工艺条件包括：电源功率为300W～600W，偏压为-50～-150V，磁控溅射气相沉积系统的镀膜腔体通入的气体为氩气和氮气，其中氩气流量为50～100sccm，氮气流量为120～180sccm，射频溅射的沉积时间为10～100min。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）包括：将所述基材置于磁控溅射气相沉积系统中，利用氩等离子体进行溅射清洗，其中氩气气体流量为80～150sccm，偏压为-300～-700V，清洗时间为10～30min。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于包括：
以单晶硅靶为阴极，惰性气体及氮气作为工作气体，采用直流反应溅射沉积形成所述直流反应溅射氮化硅层；
和/或，以氮化硅靶为阴极，惰性气体及氮气作为工作气体，采用射频溅射沉积形成所述射频溅射氮化硅层。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述制备方法中采用的直流反应溅射和射频溅射的总沉积时间为5～50h。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述制备方法中采用的直流反应溅射的总沉积时间与射频溅射的总沉积时间之比为1:1～8:1。
6.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于还包括：在所述纳米多层氮化硅陶瓷涂层达到设定厚度后，停止镀膜，并继续向磁控溅射气相沉积系统的镀膜腔室内通入氮气和氩气，直至镀膜腔室内的温度降至100℃以下。
7.根据权利要求1、2或3所述的制备方法，其特征在于：所述基材选自陶瓷基材。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述陶瓷基材包括多孔氮化硅、氧化铝、氧化锆中的任意一种。
9.由权利要求1-8中任一项所述方法制备的纳米多层氮化硅陶瓷涂层，其特征在于包括在所述纳米多层氮化硅陶瓷涂层厚度方向上交替层叠的直流反应溅射氮化硅层和射频溅射氮化硅层。
10.根据权利要求9所述的纳米多层氮化硅陶瓷涂层，其特征在于：所述纳米多层氮化硅陶瓷涂层的厚度为5～50µm。
11.根据权利要求9所述的纳米多层氮化硅陶瓷涂层，其特征在于：所述直流反应溅射氮化硅层的单层厚度为0.5～2.5µm。
12.根据权利要求9所述的纳米多层氮化硅陶瓷涂层，其特征在于：所述射频溅射氮化硅层的单层厚度为0.1～0.5µm。
13.一种材料，包括基材及形成于基材表面的涂层；其特征在于：所述涂层包括由权利要求1-8中任一项所述方法制备的纳米多层氮化硅陶瓷涂层。
14.根据权利要求13所述的材料，其特征在于：所述基材选自陶瓷基材。
15.根据权利要求14所述的材料，其特征在于：所述陶瓷基材包括多孔氮化硅、氧化铝、氧化锆中的任意一种。
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