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热等离子体射流传向材料表面的热流密度是影响材料处理效果的重要参数。实验室前期研究工作表明,表面材料的物性显著影响等离子体射流与材料的换热效果。为研究表面材料的导电特性对其与等离子体射流换热效果的影响,本论文研究了在铜基片表面沉积TiO2、ZrO2、Al2O3、ZrN薄膜的工艺参数,以及薄膜的粗糙度和电导率等特性。
对实验室已有的中频对靶磁控溅射系统进行了改造和调试:设计加工了基片固定装置、组建了基片温控系统、改进了腔体的气路分布并改良了靶材固定装置的结构。
实验研究了腔压、电流、溅射气体和反应气体的体积比、基片和靶材距离等工艺参数对成膜质量的影响。结果表明:当腔压增加时,金属单质膜的沉积速率先增加后减小,例如当腔压从0.4Pa增加到0.8Pa时,Al膜的沉积速率从3.6μm增加到5.4μm,而当腔压继续增加到1.2Pa时,沉积速率又降低到3.8μm。当工作电流从0.4A增加到1.6A时,Ti膜的沉积速率单调增加,其中0.4A时沉积的薄膜表面光滑度最好;当溅射气体和反应气体的体积比从1增加到4时,TiO2、ZrO2、Al2O3、ZrN四种薄膜的沉积速率单调增加,体积比为3时,薄膜表面光滑度最好;当基片和靶材距离从40mm增加到80mm时,TiO2、ZrO2、Al2O3、ZrN四种薄膜的沉积速率先增加后减小,距离为60mm左右时,薄膜表面光滑度最好。
根据表面形貌光滑致密的TiO2、ZrO2、Al2O3、ZrN四种薄膜对应的参数组合,在紫铜基板上分别制备出了重复性好、厚度均匀(约1μm)、表面光滑(表面粗糙度Ra约0.05μm)、与基体结合紧密、电特性满足使用要求并且能承受高温高速热等离子体射流短时间冲击加热的四种薄膜。