發(fā)布時間：2021-06-11 04:08

　　目的制備結構和性能穩(wěn)定的含氮銅合金薄膜,提高銅合金的硬度。方法基于穩(wěn)定固溶體團簇模型在Cu-Ni基合金成分設計方面的研究,進一步利用Nb與N相對較大的負混合焓以及Ni的作用,將N帶入Cu中,達到穩(wěn)定N的目的。采用磁控濺射方法在N₂/Ar比為1/30的氣氛中制備了Si（100）基Cu-Ni-Nb-N四元合金薄膜和參比樣品,并通過電子探針、X射線衍射儀和透射電子顯微鏡分別分析了薄膜的成分、結構和膜-基界面,采用雙電測四探針測量儀和超輕微載荷努氏硬度計測量了薄膜的電阻率和硬度。結果與Cu（N）薄膜相比,四元合金薄膜具有更好的結構穩(wěn)定性和更高的硬度。濺射態(tài)時,四元薄膜由銅的納米柱狀晶和少量NbN組成,硬度均在5 GPa左右。550℃/1 h退火后,薄膜致密度好,部分N能以NbN化合物的形式穩(wěn)定存在于薄膜中,大部分薄膜的硬度在3 GPa以上,并且具有較好的導電性。結論采用穩(wěn)定固溶體團簇模型選擇固氮元素,能夠制備出綜合性能較好的含氮銅合金薄膜,為其進一步用于銅及其合金的表面改性奠定了基礎。 

【文章來源】：表面技術. 2020,49(05)北大核心EICSCD

【文章頁數】：6 頁

【部分圖文】：

不同Ni/Nb比的Cu-Ni-Nb-N合金薄膜和參比樣品純銅、Cu(N)電阻率隨退火溫度的變化規(guī)律

圖1 不同Ni/Nb比的Cu-Ni-Nb-N合金薄膜和參比樣品純銅、Cu(N)電阻率隨退火溫度的變化規(guī)律前文提到，Cu-N分解的溫度范圍是100～470℃，因此退火溫度高于470℃時，固溶的氮絕大部分會從薄膜中釋放出來，因此對于高于分解溫度處理的薄膜，其結構和性能需要更深入的分析。但XRD結果顯示，部分樣品在600℃/1 h退火后出現了界面擴散，所以接下來將著重分析550℃/1 h退火后的薄膜。圖3為該條件下處理的參比樣品Cu(N)的TEM形貌和膜基界面。由圖3a可知，Cu(N)薄膜中出現了很多納米級的孔洞，這主要是因為退火溫度達到550℃時，超過了Cu-N化合物的分解溫度，薄膜中固溶的氮釋放出來，導致宏觀上薄膜的疏松多孔。從圖3b可知，膜基界面處已經產生了倒三角形的Cu3Si相，該相附近的薄膜均從基底上分離。類似的Cu-Si互擴散現象也有報道[22]，且與文獻[18,21,23]報道的銅合金相比，在銅中直接添加氮元素，對薄膜穩(wěn)定的提高作用不大。

前文提到，Cu-N分解的溫度范圍是100～470℃，因此退火溫度高于470℃時，固溶的氮絕大部分會從薄膜中釋放出來，因此對于高于分解溫度處理的薄膜，其結構和性能需要更深入的分析。但XRD結果顯示，部分樣品在600℃/1 h退火后出現了界面擴散，所以接下來將著重分析550℃/1 h退火后的薄膜。圖3為該條件下處理的參比樣品Cu(N)的TEM形貌和膜基界面。由圖3a可知，Cu(N)薄膜中出現了很多納米級的孔洞，這主要是因為退火溫度達到550℃時，超過了Cu-N化合物的分解溫度，薄膜中固溶的氮釋放出來，導致宏觀上薄膜的疏松多孔。從圖3b可知，膜基界面處已經產生了倒三角形的Cu3Si相，該相附近的薄膜均從基底上分離。類似的Cu-Si互擴散現象也有報道[22]，且與文獻[18,21,23]報道的銅合金相比，在銅中直接添加氮元素，對薄膜穩(wěn)定的提高作用不大。圖4是濺射態(tài)和550℃/1 h退火后Cu97.65Ni0.42Nb0.05N1.85薄膜的TEM形貌和膜區(qū)的選區(qū)電子衍射花樣。濺射薄膜的形貌（圖4a）顯示，薄膜由柱狀晶組成，其尺寸為幾納米到十幾納米，明顯小于不添加氮元素時柱狀晶的尺寸（～20 nm)[18,22]。由濺射態(tài)薄膜對應的選取電子衍射花樣也可知，薄膜主要由銅的納米晶以及少量的NbN納米晶組成。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]水平連鑄結晶器銅合金內套表面強化工藝及性能研究[J]. 洪昌,朱才進,謝春生,肖鴻光.  熱加工工藝. 2011(14)
[2]結晶器銅板鍍層剝落原因分析及改進[J]. 祁文華.  梅山科技. 2010(01)

碩士論文
[1]銅基電鍍Ni-P合金工藝和性能的研究[D]. 楊杰.華東理工大學 2011



本文編號：3223782