本文選題：離子束輔助沉積　切入點(diǎn)：ZrAlN金屬陶瓷涂層　出處：《北京有色金屬研究總院》2016年博士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

【摘要】：金屬陶瓷涂層為太陽(yáng)能高溫利用的主要設(shè)計(jì)體系,服役過(guò)程中,涂層中因?yàn)榈踉財(cái)U(kuò)散導(dǎo)致金屬和電介質(zhì)氧化和涂層中亞層薄膜中元素的擴(kuò)散是導(dǎo)致涂層性能衰減(如吸收率下降,發(fā)射率上升)的主要原因。采用過(guò)渡金屬氮化物(TiN、CrN和NbN等)代替純金屬作為吸收組元的MeAlN或MeAlON(Me=Cr、Ti、Zr、Nb和Hf等過(guò)渡金屬)涂層能一定程度上提高涂層的抗氧化性能,但采用物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition,PVD)制備的 MeAlN 或 MeAlON 涂層,MeAlN 或 MeAlON吸收亞層一般形成柱狀晶結(jié)構(gòu),柱狀晶結(jié)構(gòu)之間存在較多的微孔和晶界等缺陷,微孔和晶界成為原子擴(kuò)散的通道,降低了涂層的高溫?zé)岱�(wěn)定性能。平衡條件下,Me-Si-N(Me=Cr、Ti、Zr、Nb和Hf等過(guò)渡金屬)不存在任何三元穩(wěn)定相,Si與N形成的非晶Si3N4填充到MeN晶界而形成nc-MeN/a-Si3N4結(jié)構(gòu)(nc-nanocrystalline,a-amorphous),減少了 MeN晶界和孔洞等缺陷,降低涂層中各個(gè)亞層之間氮氧元素的擴(kuò)散,提高涂層高溫?zé)岱�(wěn)定性。一定量Al添加到MeN中形成MeAlN置換固溶體而形成nc-MeAlN/a-Si3N4結(jié)構(gòu)。本文首先基于ZrN,ZrAlN和AlON薄膜離子束輔助沉積工藝基礎(chǔ)上,優(yōu)化制備了Cu/Zr0.3Al0.7N/Zr0.2Al0.8N/Al34O60N6金屬陶瓷涂層,研究了涂層的高溫?zé)岱�(wěn)定性和失效原因。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)在ZrAlN吸收層中引入硅元素形成nc-ZrAlN/a-Si3N4結(jié)構(gòu),優(yōu)化制備了 Cu/Zr0.32Al0.63Si0.05N/Zr0.21Al0.73Si0.06N/Al31Si3O60N6涂層,研究了 Si元素對(duì) Zr0.32Al0.63Si0.05N 和 Zr0.21Al0.73Si0.06N 亞層的微觀結(jié)構(gòu)和Cu/Zr0.32Al0.63Si0.05N/Zr0.21Al0.03Si0.06N/Al31Si3O60N6 涂層熱穩(wěn)定性的影響。為了開(kāi)發(fā)熱穩(wěn)定性優(yōu)異且工藝移植性好涂層,采用ZrN替代電介質(zhì)-半透明金屬疊堆涂層中半透明金屬層,設(shè)計(jì)制備了 Cu/Zr0.2Al0.8N/ZrN/AlN/ZrN/AlN/Al34O62N4 疊堆涂層,研究了其熱穩(wěn)定性,得到的研究成果如下:(1)離子束輔助沉積工藝中,研究了離子-原子到達(dá)比對(duì)ZrNx和Al含量對(duì)Zr1-xAlxN薄膜結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能的影響。ZrNx薄膜由ZrN和少量的ZrOxNy構(gòu)成。離子-原子到達(dá)比為1.5制備的ZrNx薄膜滿足化學(xué)計(jì)量比(Zratom:Natom=1:1)。離子-原子到達(dá)比為2.4和5.0時(shí),薄膜中的ZrN相形成強(qiáng)(220)織構(gòu)。離子-原子到達(dá)比減小,薄膜電阻率減小,折射率減小,消光系數(shù)增加。Zr1-xAlxN薄膜中,x≤0.5的薄膜由立方(Zr,Al)N(NaCl型)構(gòu)成。0.5x0.8時(shí),薄膜由立方ZrAlN相和非晶AlN構(gòu)成,x≥0.8,薄膜為非晶結(jié)構(gòu),薄膜主要由非晶AlN和少量的ZrAlN構(gòu)成。Al含量增加,薄膜電阻率增加,金屬特性減弱,電介質(zhì)特性增強(qiáng)。(2)研究了氮氧比對(duì)AlOxNy薄膜中的結(jié)構(gòu)和光學(xué)常數(shù)的影響。氮氧比減小,氮含量減小,氧含量增加;氮元素和氧元素的化學(xué)結(jié)合狀態(tài)保持不變,鋁元素的化學(xué)結(jié)合狀態(tài)由氮化態(tài)過(guò)渡到氧化態(tài)。氮氧比減小,折射率減小。分析表明:AlOxNy薄膜中Al-O鍵的增多是AlOxNy薄膜折射率的減小的本質(zhì)原因。(3)優(yōu)化設(shè)計(jì)并制備了 Cu/Zr0.3Al0.7N/Zr0.2Al0.8N/Al34O6O0N60涂層,其中,Zr0.3Al0.7N亞層為立方ZrAlN和六方AlN納米晶與少量AlN非晶相的混合結(jié)構(gòu),Zr0.2Al0.8N亞層為大量的非晶相與微量的ZrAlN結(jié)晶相的混合結(jié)構(gòu),Al34O60N6為非晶結(jié)構(gòu)。涂層吸收率 α=0.953,發(fā)射率 ε100℃=0.044,ε400℃=0.079。真空(5.0 × 10-2)中,涂層經(jīng) 400 ℃(?)92 h后,涂層吸收率和發(fā)射率保持穩(wěn)定,經(jīng)600 ℃退火192 h后,吸收率保持穩(wěn)定,發(fā)射率(ε400℃)從沉積態(tài)的0.079上升至0.141。分析表明,600 ℃退火192 h后,涂層的4層結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定,表面形貌保持穩(wěn)定,吸收率保持穩(wěn)定,發(fā)射率上升。退火后,Zr0.3Al0.7N亞層中ZrAlN相發(fā)生調(diào)幅分解,分解和相轉(zhuǎn)變過(guò)程中導(dǎo)致N原子逸出,逸出的N原子沿著Zr0.3Al0.7N亞層中的晶界擴(kuò)散而導(dǎo)致N元素?cái)U(kuò)散嚴(yán)重,導(dǎo)致Zr0.3Al0.7N亞層和Zr0.2Al0.8N亞層的光學(xué)常數(shù)改變而使得涂層在250 nm～1500 nm反射率偏離沉積涂層反射率。發(fā)射率上升主要原因?yàn)殂~金屬紅外反射層中自由電子的數(shù)目下降。(4)通過(guò)添加 Si 元素改變 Cu/Zr0.3Al0.7N/Zr0.2Al0.8N/Al34O60N6涂層中 Zr0.3Al0.7N和 Zr0.2Al0.8N 吸收層的納米晶結(jié)構(gòu),制備了Cu/Zr0.32Al0.63Si0.05N/Zr0.21Al0.73Si0.06N/Al31Si3O60N6 涂層。其中,Zr0.32Al0.63Si0.05N 亞層為非晶AlN和Si3N4包裹著立方ZrAlN納米晶結(jié)構(gòu),Zr0.21Al0.73Si0.06N薄膜和AlSiOxNy薄膜為非晶結(jié)構(gòu)。涂層吸收率α=0.945,發(fā)射率ε100℃=0.048,ε400℃=0.084。真空(5.0× 10-2)中,涂層經(jīng)400 ℃退火192 h后,涂層的吸收率和發(fā)射率保持穩(wěn)定。經(jīng)600 ℃退火192 h后,吸收率保持穩(wěn)定,發(fā)射率(ε400℃)從原始的0.084上升至0.144。分析表明,600 ℃退火192 h后,涂層的4層結(jié)構(gòu)和各個(gè)亞層的微觀結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定,表面形貌保持穩(wěn)定,吸收層和減反射層元素?cái)U(kuò)散甚微。添加Si元素后,界面處形成的非晶AlN和Si3N4有效的抑制了 ZrAlN相的調(diào)幅分解,阻止了 N元素的逸出,提高了涂層的熱穩(wěn)定性。銅硅之間的擴(kuò)散是導(dǎo)致涂層發(fā)射率上升的原因。銅硅之間擴(kuò)散導(dǎo)致銅亞層中自由電子數(shù)目下降是發(fā)射率上升的原因。(5)Cu/Zr0.2Al0.8N/ZrN/AlN/ZrN/AlN/Al34062N4 涂層中,ZrN 和 AlN 均由非晶和結(jié)晶相構(gòu)成,Zr0.2Al0.8N和A134 0 62N4為非晶結(jié)構(gòu)。涂層吸收率α=0.9416,發(fā)射率ε100℃=0.058。真空(5.0×10-2Pa)中,涂層經(jīng)400℃和144h后,吸收率和發(fā)射率保持穩(wěn)定。600 ℃退火144 h后,發(fā)射率(ε100℃)從沉積態(tài)的0.058上升至0.106。分析表明,600 ℃退火144 h后,涂層的7層結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定,各個(gè)亞層的微觀結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定,表面形貌保持穩(wěn)定�？拷韺拥腪rN層和中間AlN層N元素?cái)U(kuò)散導(dǎo)致涂層在500 nm-1000 nm反射率上升。銅硅之間的擴(kuò)散導(dǎo)致涂層發(fā)射率上升。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：北京有色金屬研究總院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TG174.4

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 武琪;王思青;張長(zhǎng)瑞;姜勇剛;李斌;;耐高溫透明AlON陶瓷的研究進(jìn)展與展望[J];硅酸鹽通報(bào);2013年04期

2 王th;李春梅;敖靖;李鳳;陳志謙;;IVB族過(guò)渡金屬氮化物彈性與光學(xué)性質(zhì)研究[J];物理學(xué)報(bào);2013年08期

3 ;Effects of annealing temperature on the microstructure and hardness of TiAlSiN hard coatings[J];Chinese Science Bulletin;2011年16期

4 田庭燕;杜洪兵;姜華偉;孫峰;陳廣樂(lè);張微;呂科;彭珍珍;;AlON透明陶瓷的制備與性能[J];硅酸鹽學(xué)報(bào);2010年08期

5 楊敏林;楊曉西;林汝謀;袁建麗;;太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)與系統(tǒng)[J];熱能動(dòng)力工程;2008年03期

6 李金花,宋寬秀,王一平;中高溫太陽(yáng)光譜選擇性吸收涂層的研究進(jìn)展[J];化學(xué)工業(yè)與工程;2004年06期

7 殷志強(qiáng);劃了一根火柴——記"Al-N/Al"太陽(yáng)選擇性吸收涂層發(fā)明20年[J];太陽(yáng)能;2004年06期

8 丁士進(jìn),張衛(wèi),王鵬飛,張劍云,劉志杰,王季陶;低介電常數(shù)含氟氧化硅薄膜的研究[J];功能材料;2000年05期

9 傅永慶,朱曉東,徐可為,何家文;離子束輔助沉積技術(shù)及其進(jìn)展[J];材料科學(xué)與工程;1996年03期

10 王鳳春,吳家慶,宮長(zhǎng)勇,殷志強(qiáng),朱秀珍;具有多層Al-N/Al吸收表面的全玻璃真空集熱管老化研究[J];太陽(yáng)能學(xué)報(bào);1991年04期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 陳利;Ti-Al-N基硬質(zhì)涂層的熱穩(wěn)定性能、微結(jié)構(gòu)及其力學(xué)、切削性能的研究[D];中南大學(xué);2009年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 徐成俊;磁控濺射TiN及ZrN薄膜的特性研究[D];重慶大學(xué);2005年

，

本文編號(hào)：1599698