一種Nb/NbN多層耐蝕導電薄膜及其制備方法與流程
本發明涉及一種多弧離子鍍制備的硬質薄膜，尤其涉及的是一種Nb/NbN多層耐蝕導電薄膜及其制備方法。
背景技術：
多弧離子鍍作為物理氣相沉積(PVD)技術的一種，有著離化率高、成膜速度快的特點，可以獲得膜基結合力出色、質地均勻的硬質薄膜，相比較于磁控濺射，更有利于大規模工業化生產，節約成本，是現今被廣泛使用的表面強化手段之一。
過渡金屬氮化物硬質薄膜已經有很長的發展歷史，因為其高硬度、高抗摩擦能力、出色的高溫穩定性及良好的化學穩定性等特點被廣泛應用于機械制造、刀具切削、海洋腐蝕等各個領域，其中又以TiN、CrN及以此為基礎的多元薄膜最為常見。
相較于普通的單層硬質薄膜，具有多層結構的硬質薄膜往往因其結構的復合作用體現出更加優越的性能。吳博等人通過電弧離子鍍在不銹鋼雙極板表面分別制備了CrN單層膜、Cr/CrN雙層膜及Cr/CrN/Cr三明治結構膜，比較了其耐蝕性與導電性，發現三明治結構的薄膜在各項性能上均有優勢。由此，制備多層硬質是提高薄膜耐蝕性和導電性一種有效的方法。
技術實現要素：
本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供了一種Nb/NbN多層耐蝕導電薄膜及其制備方法，利用多層結構提高了薄膜的耐腐蝕性能和導電性。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括交替沉積在基體上的Nb層與NbN層，靠近基體的為Nb層，最外層為NbN層，所述Nb層與NbN層的交界處的界面相為六方結構的Nb2N相，所述Nb層與NbN層交替沉積至少10次。
作為本發明的優選方式之一，所述Nb層與NbN層交替沉積10～20次。交替沉積次數過小會因薄膜過薄影響耐蝕性；交替沉積次數過多則因內應力增大及本體電阻增加影響膜基結合力及導電性。
所述薄膜的厚度為1.2～1.8μm。薄膜的厚度能夠確保導電性能和耐蝕性。
作為本發明的優選方式之一，所述薄膜中每個Nb層的厚度為50.5～78.5nm，每個NbN層的厚度為39.5～61.5nm。
作為本發明的優選方式之一，所述薄膜中按照原子數百分比計，包括Nb50～65％，N35～50％。
一種Nb/NbN多層耐蝕導電薄膜的制備方法，包括以下步驟：
(1)將基體超聲波清洗后放入真空室，再對基體進行氬離子轟擊清洗，；
(2)打開金屬Nb靶，沉積Nb層，沉積時間為8～10min，完成單個Nb層的沉積；
(3)保持基體溫度、偏壓、氣體分壓、轉架速度不變，Ar氣流量減至15～25sccm，加充氮氣流量為280～300sccm，沉積NbN層，沉積時間為7～9min，完成單個NbN層的沉積；
(4)重復步驟(2)和步驟(3)，在基材上交替沉積上Nb層與NbN層。
所述步驟(1)中，真空度為2×10-3Pa～3.5×10-3Pa，氬氣流量為80～100sccm，氬離子清洗時間為5～20min，壓強為0.2Pa，負偏壓為700～1000V，基體溫度為300～350℃，轉架速度為3～5轉/min。
所述步驟(2)中，沉積Nb層的條件為：保持基體溫度在300～350℃，氬氣流量減至50～60sccm，氣體分壓為0.4～0.5Pa，偏壓為80～100V，轉架速度為2～5轉/min。
交替循環10～20次，總時間為150～180min，完成Nb層與NbN層在基體上的沉積。
NbN薄膜受金屬Nb結構致密的影響，與TiN、CrN等薄膜相比較，薄膜表面更為光滑致密，顆粒更小，可以有效避免腐蝕介質進入薄膜內部，從而提高薄膜的耐腐蝕性能。
控制Nb和N的含量，能夠減少Nb金屬空位，可以提高耐腐蝕性，Nb層能夠具有較好的導電性。適當的沉積層數，能夠滿足抗腐蝕性的要求。
本發明相比現有技術具有以下優點：本發明采用Nb/NbN多層薄膜，近基體層為金屬Nb層，可以與基體良好結合，保證了薄膜與基體良好的結合力；薄膜多層結構有效的阻礙了腐蝕介質進入薄膜內部的通路，且薄膜主要組成相NbN、Nb2N及Nb相均為耐腐蝕相，提高薄膜的耐腐蝕性能；利用金屬Nb的導電性提高了薄膜的導電性，根據工藝條件制備出的多層薄膜，避免了因為層數過多使本體電阻增加的影響，保證了薄膜導電性不受影響；利用多弧離子鍍技術沉積多層薄膜，提高了工作效率，工藝簡單易行，有利于大規模工業化生產。
附圖說明
圖1是本發明制得的Nb/NbN多層薄膜結構示意圖；
圖2是實施例1所制得Nb/NbN多層薄膜在10％H2SO4溶液中的Tafel極化曲線。
具體實施方式
下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
實施例1
將拋光后的不銹鋼基體經過丙酮和酒精分別清洗15min，烘干后放入真空室轉架托盤上。打開真空泵將真空室的本底真空抽到3×10-3Pa，真空室溫度升至300℃。打開Ar氣保持流量為100sccm，壓強調至0.2Pa，負偏壓調至700V，轉架速度為3轉/min，對基體表面進行離子轟擊10min，去除表面雜物及氧化層；保持真空室真空度和溫度不變，將Ar氣流量減至60sccm，壓強升至0.4Pa，偏壓調整至80V，轉架速度為2轉/min，開啟4塊Nb靶，靶電流為200A，在基體表面沉積Nb單層薄膜，沉積時間為9分鐘；保持真空度、溫度、氣體壓強、偏壓、轉架速度、靶電流不變，將Ar氣流量減至20sccm，加充N2使流量達到280sccm，在Nb單層薄膜上沉積NbN薄膜，沉積時間為7min；重復Nb單層薄膜和NbN薄膜工藝參數共10次，得到Nb/NbN多層薄膜；工藝循環結束后試樣片隨爐冷卻至室溫，打開真空室室門，取出樣片。
實施例2
將拋光后的基體經過丙酮和酒精分別清洗15min，烘干后放入真空室轉架托盤上。打開真空泵將真空室的本底真空抽到2×10-3Pa，真空室溫度升至350℃。打開Ar氣保持流量為180sccm，壓強調至0.2Pa，負偏壓調至1000V，轉架速度為5轉/min，對基體表面進行離子轟擊20min，去除表面雜物及氧化層；保持真空室真空度和溫度不變，將Ar氣流量減至50sccm，壓強升至0.5Pa，偏壓調整至100V，轉架速度為5轉/min，開啟4塊Nb靶，靶電流為200A，在基體表面沉積Nb單層薄膜，沉積時間為8分鐘；保持真空度、溫度、氣體壓強、偏壓、轉架速度、靶電流不變，將Ar氣流量減至25sccm，加充N2使流量達到300sccm，在Nb單層薄膜上沉積NbN薄膜，沉積時間為9min；重復Nb單層薄膜和NbN薄膜工藝參數共15次，得到Nb/NbN多層薄膜；工藝循環結束后試樣片隨爐冷卻至室溫，打開真空室室門，取出樣片。
實施例3
本實施例中，Nb單層薄膜沉積時間為4.5min，NbN單層薄膜沉積時間為3.5min，重復Nb單層薄膜和NbN薄膜工藝參數共20次，得到Nb/NbN多層薄膜。其他工藝流程與參數與實施例1相同。
所得Nb/NbN多層薄膜的結構如圖1所示，其中近基體為Nb層，最外層是NbN層。
對實施例1、2所得Nb/NbN多層薄膜及不銹鋼基體進行電化學測試，測試在10％H2SO4溶液室溫條件下進行。測試所得Tafel極化曲線如圖2所示，擬合數據如表1所示，結果表明，實施例1薄膜自腐蝕電位Ecorr＝0.003V，自腐蝕電流icorr＝2.43×10-6A·cm-2，極化電阻Rp＝1.78×104Ω·cm2，實施例3薄膜自腐蝕電位Ecorr＝-0.022V，自腐蝕電流icorr＝2.40×10-6A·cm-2，極化電阻Rp＝1.53×104Ω·cm2。實施例所得薄膜與不銹鋼基體相比，自腐蝕電流與極化電阻均提高了一個數量級，自腐蝕電位也有很大提升，增強了基體的耐蝕性能。
表1實施例Tafel極化測試擬合數據
對實施例1、3中所得Nb/NbN多層薄膜進行接觸電阻(ICR)測試，取試樣片任意三區域，所得結果如表2所示。實施例1在78.5N·cm-2壓力下，平均面積電阻為18.317mΩ·cm2，在117.75N·cm-2壓力下，平均面積電阻12.102mΩ·cm2；實施例3在78.5N·cm-2壓力下，平均面積電阻為20.934mΩ·cm2，在117.75N·cm-2壓力下，平均面積電阻13.410mΩ·cm2，與不銹鋼基體在相同條件下相比較有大幅提升(ICR(78.5N·cm-2)＞200mΩ·cm2，ICR(117.75N·cm-2)＞150mΩ·cm2)。
表2 Nb/NbN多層薄膜接觸電阻測試
對比實施例1和3，當Nb和NbN單層沉積時間分別為9min和7min，Nb單層薄膜和NbN薄膜工藝參數循環10次時，膜層的耐蝕性和導電性最佳，因此，實施例1所對應的工藝參數為最優工藝。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
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