本發(fā)明得到國家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015aa034702)，國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51472180，51272176)的資助。

本發(fā)明屬于硬質(zhì)涂層領(lǐng)域。特別是涉及一種jgp-450型磁控濺射沉積系統(tǒng)制備nb-b-n納米復(fù)合涂層，利用磁控濺射技術(shù)合成由氮化鈮和二硼化鈮組成的具有較高硬度、高膜基結(jié)合力，良好耐摩擦性能和熱穩(wěn)定性表面強(qiáng)化納米復(fù)合涂層的新工藝。

背景技術(shù)：

近幾十年來，由于薄膜材料具有表面防護(hù)和功能性(熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)和力學(xué)等)作用，已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、新材料、航空航天、能源、信息產(chǎn)業(yè)、生物技術(shù)和食品加工等多個領(lǐng)域。薄膜材料的種類有很多，其中納米結(jié)構(gòu)薄膜以及納米功能薄膜是兩種主要的類型。其中功能薄膜包含光學(xué)薄膜、光伏薄膜、鋰離子電池薄膜等，而聲、電、光、磁等是其具有特殊的特性。這也說明功能薄膜具有多種類型和非常廣泛的應(yīng)用。另一類薄膜是結(jié)構(gòu)薄膜，通過改變納米粒子的結(jié)構(gòu)、取向，形成很多的界面，使位錯運(yùn)動變得困難，提高了薄膜的力學(xué)方面的性能。硬質(zhì)薄膜就屬于結(jié)構(gòu)薄膜。硬質(zhì)薄膜主要是研究合成超硬材料，超硬材料作為切削工具的表面涂層能夠提高工具的硬度，抗磨損性和耐高溫性等，從而擴(kuò)大了切削工具加工的范圍，提高了工具的壽命。近些年來，人們著重研究納米結(jié)構(gòu)薄膜的兩個方向分別是納米多層膜和納米復(fù)合膜，并且在實(shí)驗(yàn)方面很多的研究者做出了大量的重要貢獻(xiàn)，制備出了很多性能和結(jié)構(gòu)優(yōu)異的納米涂層材料，這推動了納米結(jié)構(gòu)薄膜的發(fā)展與壯大。由于納米復(fù)合材料的氮化物涂層具有優(yōu)異的力學(xué)性能和較高的化學(xué)惰性，有助于減少摩擦和磨損損失，同時提高抗疲勞和耐腐蝕。作為新一代材料的代表，納米復(fù)合氮化物涂層已成為影響工業(yè)機(jī)械零件壽命的重要因素之一。過渡金屬氮化物具有較高的溶點(diǎn)和硬度以及良好的耐磨損性，這促使其作為硬質(zhì)薄膜的首選材料。例如，nbn，crn，w2n，tin等過渡金屬氮化物材料已經(jīng)被廣泛研究。其中nbn薄膜具有良好的熱穩(wěn)定性，較好的化學(xué)穩(wěn)定性和較高的硬度，它被廣泛的應(yīng)用在抗磨損薄膜、超硬薄膜以及超導(dǎo)材料等方面。研究表明，氮化鈮(nbn)薄膜具有優(yōu)異的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)穩(wěn)定性，高熔點(diǎn)和高導(dǎo)電率使得氮化鈮在保護(hù)涂層、微電子、場發(fā)射陰極以及微電子器件的擴(kuò)散勢壘和超導(dǎo)電子學(xué)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景.在氮化物薄膜中，nbn是一種很好的超導(dǎo)材料,與純nb相比,nbn有較高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度(16.1k),和較窄的轉(zhuǎn)變寬度(0.1k)；在低溫和高溫下也有很好的穩(wěn)定性氮化鈮在超導(dǎo)態(tài)下還有很好的磁穩(wěn)定性,在4.2k時臨界磁場為25t,遠(yuǎn)高于鈮本身的臨界磁場強(qiáng)度。以上的性質(zhì)表明氮化鈮是很好的射頻超導(dǎo)腔的備選材料。

由于具有優(yōu)良的電學(xué)和力學(xué)性能，氮化鈮(nbn)薄膜在超導(dǎo)電子學(xué)和保護(hù)涂層等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。此外，在納米復(fù)合鍍層中摻入硼元素可以增強(qiáng)納米復(fù)合膜的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性。含有硼的納米復(fù)合鍍層的文獻(xiàn)表明摻入硼元素會提高納米復(fù)合膜的熱穩(wěn)定性能以及機(jī)械性能。硼元素能與過渡副族金屬形成結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定的硼化物，尤其和b族、b族等元素形成的硼化物具有很高的熔點(diǎn)和硬度，硼原子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)也決定了硼化物晶體的結(jié)構(gòu)。近些年人們已經(jīng)開始逐漸深入的研究硼化物薄膜，這是因?yàn)榕鸹镉捕扰c碳化物基本相同，甚至還略高一些。正是由于硼化物具有高硬度，高穩(wěn)定的化學(xué)性以及強(qiáng)的惰性等優(yōu)良性能，因此它被很好的應(yīng)用在硬質(zhì)合金涂層和防護(hù)涂層的刀具上?，F(xiàn)在研究較多的硼化物常見的有tib2，zrb2等硼化物，而本文研究的nbb2不僅具有硼化物所固有的高硬度，高熔點(diǎn)，穩(wěn)定性強(qiáng)的性質(zhì)，而且還具有良好抗氧化性、耐磨性以及耐腐蝕性等特性。近年來已經(jīng)有學(xué)者研究了nbb2薄膜并取得了優(yōu)異的成果，也有學(xué)者研究了nbn薄膜的性能。而把nbb2和nbn結(jié)合制備的納米復(fù)合薄膜卻很少有人研究。采用磁控濺射的方式合成基于nbb2的納米復(fù)合薄膜，有利于充分發(fā)揮出nbb2本身具有的高強(qiáng)度、高硬度、光滑性、高溫及化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，同時克服其與工程材料基體的結(jié)合力、韌性差、抗氧化性差、耐用性差等方面的缺點(diǎn)。此外，在納米復(fù)合膜中摻入硼元素可以增強(qiáng)納米復(fù)合膜的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性。

通過改變基底偏壓的方式不僅使晶相發(fā)生轉(zhuǎn)變，而且使nb-b-n納米復(fù)合涂層形成一種致密的結(jié)晶型，具有非晶nbb2嵌入在結(jié)晶態(tài)nbn之中，且結(jié)晶態(tài)nbn緊密包覆非晶nbb2的相互嵌入式的復(fù)合結(jié)構(gòu)。這充分說明偏壓對復(fù)合膜結(jié)構(gòu)改變起到重要作用。這種典型復(fù)合膜結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)是提高納米復(fù)合薄膜的力學(xué)性能的主要原因。在偏壓為-160v時，復(fù)合膜結(jié)晶性達(dá)到最強(qiáng)并伴隨六方相δ'-nbn(110)晶向的產(chǎn)生，這也是導(dǎo)致nb-b-n納米復(fù)合涂層的硬度和彈性模量達(dá)到最大值的原因，隨后在真空中對nb-b-n納米復(fù)合涂層進(jìn)行300℃的高溫退火，得到硬度和彈性模量值分別為27.5gpa和287.52gpa，臨界載荷(lc)與硬度的變化趨勢相同，都是隨著偏壓的增大而先增大后減小。lc也達(dá)到了最大值。在偏壓為-160v下制備的nb-b-n納米復(fù)合涂層具有較好的熱穩(wěn)定性，這說明nb-b-n納米復(fù)合涂層是一個具有適合于工程應(yīng)用前景的納米復(fù)合體系。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

nbn薄膜具有良好的熱穩(wěn)定性，較好的化學(xué)穩(wěn)定性和較高的硬度；優(yōu)異的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)穩(wěn)定性，高熔點(diǎn)和高導(dǎo)電率使得氮化鈮在保護(hù)涂層、微電子、場發(fā)射陰極以及微電子器件的擴(kuò)散勢壘和超導(dǎo)電子學(xué)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。nbb2不僅具有硼化物所固有的高硬度，高熔點(diǎn)，穩(wěn)定性強(qiáng)的性質(zhì)，而且還具有良好的抗氧化性、耐磨性以及耐腐蝕性等特性，在納米復(fù)合涂層中摻入硼元素可以增強(qiáng)納米復(fù)合膜的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性，然而對于nb-b-n納米復(fù)合涂層研究還沒有報(bào)導(dǎo)。

為此，本發(fā)明公開了一種硬質(zhì)nb-b-n納米復(fù)合涂層，其特征是在氮?dú)猓╪2）環(huán)境下，由nbn(99.99%)靶和nbb2(99.99%)靶通過射頻和脈沖直流磁控濺射的方式在硅（si）基底上同時沉積nbn和nbb2制備nb-b-n納米復(fù)合涂層；其中nbn和nbb2沉積量分別約為60%、40%，總層厚為500-600納米。

本發(fā)明進(jìn)一步公開了一種硬質(zhì)的nb-b-n納米復(fù)合涂層的制備方法，其特征是：利用高真空多靶磁控濺射系統(tǒng)，基底偏壓為-160v；退火溫度為300℃。用ar⁺分別轟擊nbn和nbb2兩個靶，在硅基底上同時沉積nbn和nbb2做納米復(fù)合涂層，采用機(jī)械泵和分子泵，本底真空2.0×10^-4pa~3.0×10^-4pa，氣壓值由電離規(guī)管來測量，沉積過程中濺射氣體選用純ar2，用質(zhì)量流量控制器控制其流量保持在40～41sccm；沉積過程中總的工作氣壓保持在0.5pa~0.55pa之間。

本發(fā)明所采用的基底為硅（si）片，先依次用丙酮、乙醇超聲清洗15分鐘，吹干后立即送入真空沉積室中，在沉積薄膜以前，先在工作氣壓5pa條件下，用偏壓-400v的ar⁺對樣品進(jìn)行清洗15min，沉積薄膜時，可將高純度nbn(99.9%)和nbb2(99.9%)靶固定濺射位置并精確控制每個靶材的濺射時間；同時打開基底旋轉(zhuǎn)臺，使其保持10r/min的轉(zhuǎn)速，這有助于薄膜均勻沉積在硅（si）基底上；同樣用ar⁺同時濺射兩個靶源，濺射源工藝參數(shù)：射頻靶nbn濺射功率為100w,脈沖直流靶nbb2濺射功率為20w，靶基距為7cm,基底偏壓-160v。退火溫度為300℃；納米硬度27.5gpa，彈性模量287.52gpa，同時具有良好熱穩(wěn)定性以及耐摩擦性能的納米復(fù)合涂層。本發(fā)明是沒有任何離子束輔助和高溫高壓的的苛刻條件要求情況下，利用多靶磁控濺射系統(tǒng)在n2環(huán)境下生成硬質(zhì)的nb-b-n納米復(fù)合涂層。

本發(fā)明的硬質(zhì)的nb-b-n納米復(fù)合涂層的制備方法，是利用jgp-450型磁控濺射沉積系統(tǒng)，分別制備nbn、nbb2單層膜和硬質(zhì)nb-b-n納米復(fù)合涂層。純度為99.9%的nbn化合物和99.9%的nbb2單質(zhì)靶分別由射頻陰極和脈沖直流控制，靶-基間距保持在7cm。nbn和nbb2的濺射功率分別為100w和20w。基底采用硅（si）片，制膜前分別用丙酮和無水乙醇超聲清洗15min，烘干后置于可轉(zhuǎn)動的樣品臺上。鍍膜時本底真空低于3×10^-4pa，濺射氣體采用ar（99.999%），整個沉積過程中，總的工作氣壓保持在0.5pa?；灼珘罕３衷?160v。在沉積多層膜前，保持穩(wěn)定的氮?dú)猸h(huán)境。通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制基片在nbn和nbb2靶前的停留時間來改變復(fù)合涂層的厚度，納米復(fù)合涂層的總厚度約為500nm。

退火溫度為300℃；設(shè)計(jì)一組基底偏壓為0v~-200v的nb-b-n納米復(fù)合涂層,其目的是找到制備硬質(zhì)的nb-b-n納米復(fù)合涂層的最優(yōu)條件。用ar⁺分別轟擊nbn和nbb2兩個靶，在硅(si)基底上同時濺射沉積nbn和nbb2組成納米復(fù)合涂層，采用機(jī)械泵和分子泵，本底真空2.0×10^-4pa~3.0×10^-4pa，氣壓值由電離規(guī)管來測量，沉積過程中濺射氣體選用純氬氣，用質(zhì)量流量控制器控制其流量分別保持在40-41sccm；沉積過程中總的工作氣壓保持在0.5pa-0.55pa之間。本發(fā)明在沒有離子束輔助和高溫高壓的情況下，利用多靶磁控濺射系統(tǒng)在n2環(huán)境下生成硬質(zhì)的nb-b-n納米復(fù)合涂層,為解決合成切削刀具及機(jī)械零部件中存在的硬度低、薄膜與基底結(jié)合力差、耐摩擦、耐高溫和抗氧化性能差等技術(shù)問題而提供了一種以nbn和nbb2為單質(zhì)材料，采用磁控濺射技術(shù)合成一種由nbn和nbb2組成的新型硬質(zhì)的nb-b-n納米復(fù)合涂層，找到制備出具有較高硬度、高膜基結(jié)合力、良好熱穩(wěn)定性以及耐摩擦性能納米涂層方面的應(yīng)用的工藝方法。

實(shí)驗(yàn)在合成薄膜之前先將所采用的基底硅（si)片，先依次用丙酮、乙醇超聲清洗15min，吹干后立即送入真空沉積室中。在沉積薄膜以前，先用-400v基底偏壓，40sccm的ar⁺在5pa的工作氣壓下對樣品進(jìn)行清洗15min。沉積薄膜時，可將高純度nbn(99.9%)和nbb2(99.9%)靶固定在濺射位置并精確控制每個靶材的濺射時間來得到膜厚為500nm的納米復(fù)合涂層。用ar⁺同時濺射nbn和nbb2靶，濺射源工藝參數(shù)：nbn和nbb2的濺射功率分別為100w和20w,氬氣流量為40～41sccm。通過改變納米復(fù)合涂層的基底偏壓0v~-200v（最終得到-160v的最佳基底偏壓），制備一系列硬質(zhì)的nb-b-n納米復(fù)合涂層。

本發(fā)明更進(jìn)一步公開了硬質(zhì)的nb-b-n納米復(fù)合涂層在制備高硬度、高膜基結(jié)合力納米復(fù)合涂層方面的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不用任何輔助條件下，對于基底偏壓為-160v，退火溫度為300℃下制備的硬質(zhì)的nb-b-n納米復(fù)合涂層，其硬度明顯高于同條件下合成的單質(zhì)薄膜，使該薄膜體系更適合于實(shí)際的需要。此條件下合成的薄膜具有較高硬度（27.5gpa）、高膜-基結(jié)合強(qiáng)度(lc=46.8mn)，良好熱穩(wěn)定性以及耐摩擦性能。

本發(fā)明采用了復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜生長的界面復(fù)合原理，對參與實(shí)驗(yàn)的個變量進(jìn)行了調(diào)制比例分析，結(jié)果和預(yù)期的相吻合，同時也印證了所選變量的的獨(dú)立性。本發(fā)明充分利用了多靶磁控共濺射系統(tǒng)多參量可獨(dú)立精確控制的良好功能，得到了比較可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并獲取了最佳機(jī)械性能的參數(shù)條件。

本發(fā)明對各種工藝條件下合成的單質(zhì)薄膜和納米復(fù)合涂層進(jìn)行了高角度的x射線衍射（xrd）結(jié)構(gòu)分析。采用美國ambios公司的表面輪廓儀（xp-2）對薄膜的厚度和殘余應(yīng)力進(jìn)行測量。用美國mts公司xp型納米壓痕儀對薄膜進(jìn)行納米硬度和彈性模量測試。

本發(fā)明發(fā)現(xiàn)：本發(fā)明的硬質(zhì)nb-b-n納米復(fù)合涂層具有較高硬度、高膜基結(jié)合力，良好耐摩擦性能和熱穩(wěn)定性，在改變基底偏壓結(jié)合氮?dú)鈼l件下合成的硬質(zhì)的nb-b-n納米復(fù)合涂層，并對其在真空條件下進(jìn)行300℃的高溫退火，最終得到硬度高達(dá)27.5gpa，彈性模量287.52gpa，膜基結(jié)合強(qiáng)度為46.8mn的nb-b-n納米復(fù)合涂層。

圖1為沉積所得硬質(zhì)的nb-b-n納米復(fù)合涂層的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為沉積所得硬質(zhì)的nb-b-n納米復(fù)合涂層橫斷面的sem形貌,表明多層薄膜顯示出了與設(shè)計(jì)相符的結(jié)構(gòu)，界面清晰；

圖3為沉積所得硬質(zhì)的nb-b-n納米復(fù)合涂層的xrd衍射譜，利用brukerd8a型x射線衍射儀對樣品進(jìn)行物相及晶體結(jié)構(gòu)分析，用波長為1.5405?的cukax射線照射樣品，將由xrd得到的衍射圖譜對樣品進(jìn)行定性的物相及晶體結(jié)構(gòu)分析通過此圖可以觀察出該納米復(fù)合涂層的復(fù)合薄膜中出現(xiàn)了立方相δ-nbn與六方相δ'-nbn的混合相，并以δ-nbn(111)晶面取向?yàn)橹飨?；我們通過對薄膜進(jìn)行透射電子顯微鏡（tem），對其進(jìn)行測試，得到三種不同的晶格間距0.267nm,0.211nm,and0.153nm，這與δ-nbn（111），（200）（pdf文件14-0547）和δ'-nbn（110）（pdf文件38-1155）晶格間距值分別為0.254,0.220和0.148nm相接近.

圖4為沉積所得硬質(zhì)的nb-b-n納米復(fù)合涂層的afm圖像，該圖顯示了納米復(fù)合涂層在基底偏壓為-160v下，基底溫度為300℃下得到的薄膜表面粗糙度最小，具有最小的ra值；

圖5為沉積所得一組基底溫度為300℃，基底偏壓為0v~-200v硬質(zhì)nb-b-n納米復(fù)合涂層的硬度與彈性模量曲線圖，在基底偏壓為-160v時，nb-b-n納米復(fù)合涂層的硬度和彈性模量達(dá)到最大；

圖6為沉積所得一組基底溫度為300℃，基底偏壓為0v~-200v硬質(zhì)nb-b-n納米復(fù)合涂層的臨界載荷曲線圖，表明在基底偏壓為-160v下制備的nb-b-n納米復(fù)合涂層具有較好的膜-基結(jié)合力。

以上結(jié)果證明：本發(fā)明“磁控濺射技術(shù)制備的nb-b-n納米復(fù)合涂層方法及應(yīng)用”具有較高硬度（27.5gpa）、高膜-基結(jié)合強(qiáng)度46.8mn，良好抗氧化性、熱穩(wěn)定性、耐摩擦性能以及抗氧化性能，在n2環(huán)境下制備出的新型硬質(zhì)nb-b-n納米復(fù)合涂層在切削工具、機(jī)械零部件等領(lǐng)域?qū)⒂兄匾膽?yīng)用前景。

附圖說明

圖1：本系列中在n2環(huán)境下新型硬質(zhì)nb-b-n納米復(fù)合涂層的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2：本系列中在n2環(huán)境下新型硬質(zhì)nb-b-n納米復(fù)合涂層的橫斷面的sem形貌；

圖3：本系列中在n2環(huán)境下新型硬質(zhì)nb-b-n納米復(fù)合涂層的xrd衍射譜；

圖4：本系列中在n2環(huán)境下新型硬質(zhì)nb-b-n納米復(fù)合涂層的的afm圖像；

圖5：本系列中在n2環(huán)境下新型硬質(zhì)nb-b-n納米復(fù)合涂層的的硬度與彈性變化；

圖6：本系列中在n2環(huán)境下新型硬質(zhì)nb-b-n納米復(fù)合涂層的臨界載荷曲線圖；

圖7：本系列使用的型號為jgp-450型磁控濺射沉積系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

下面通過具體的實(shí)施方案敘述本發(fā)明。除非特別說明，本發(fā)明中所用的技術(shù)手段均為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的方法。另外，實(shí)施方案應(yīng)理解為說明性的，而非限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍僅由權(quán)利要求書所限定。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，在不背離本發(fā)明實(shí)質(zhì)和范圍的前提下，對這些實(shí)施方案中的物料成分和用量進(jìn)行的各種改變或改動也屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。本發(fā)明所用原料均有市售。

為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的內(nèi)容、特點(diǎn)及功效，配合附圖說明如下：

使用設(shè)備、步驟和方法：

使用設(shè)備：jgp-450型磁控濺射沉積系統(tǒng)用來合成在n2環(huán)境下由nbn和nbb2組成的硬質(zhì)nb-b-n納米復(fù)合涂層是由天津師范大學(xué)與中國科學(xué)院沈陽科學(xué)儀器廠聯(lián)合研制的“jgp-450型磁控濺射沉積系統(tǒng)”，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。純度為99.9%的nbn和nbb2靶材料分別放置在真空室內(nèi)的磁控射頻陰極靶臺和脈沖直流靶臺上，樣品放置在真空室內(nèi)可控樣品旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤樣品臺上；泵抽系統(tǒng)由機(jī)械泵和htfb渦輪分子泵完成，氣壓值由電離規(guī)管來測量，ar的進(jìn)氣流量是通過質(zhì)量流量計(jì)來控制的。電腦程序精確控制每個靶材的濺射時間。通過改變每個靶材的沉積時間可以得到它們的單層薄膜沉積率，以及兩個靶材同時濺射沉積時間得到nb-b-n納米復(fù)合涂層的沉積速率。

具體的合成工藝參數(shù)：

ar流量：40～41sccm；本底真空度：2.9×10^-4pa~3.0×10^-4pa；工作氣壓：0.5pa；濺射源工藝參數(shù)：射頻靶nbn濺射功率為100w,脈沖直流靶nbb2濺射功率為20w。其工藝參數(shù)：靶基距為7cm,基底偏壓-160v。

需要說明的是：其他型號的磁控濺射系統(tǒng)（ms）設(shè)備都可以使用。

實(shí)施例1

改變基底偏壓條件合成nb-b-n納米復(fù)合涂層:

（1）實(shí)驗(yàn)前依次用丙酮和無水酒精對硅(si)基片超聲清洗15min，烘干后放進(jìn)磁控濺

射鍍膜室。

（2）對腔室抽真空，使腔室內(nèi)的本底真空度在2.9×10^-4pa~3.0×10^-4pa。

（3）調(diào)節(jié)插板閥，使工作氣壓為5pa,用質(zhì)量流量流量計(jì)控制ar進(jìn)氣流量，使之保持在40sccm，打開偏壓電源，調(diào)節(jié)基底偏壓-400v，電流打表正常，用ar離子對樣品至少轟擊清洗15min，關(guān)閉偏壓電源。

（4）打開射頻電源，用質(zhì)量流量計(jì)控制ar進(jìn)氣流量，使之保持在40～41sccm，調(diào)節(jié)射頻電源至正常起輝；打開脈沖直流電源，調(diào)節(jié)電壓旋鈕至正常起輝；調(diào)節(jié)工作氣壓至0.5pa，射頻靶nbn濺射功率為100w,直流靶nbb2濺射功率為20w。打開偏壓電源調(diào)節(jié)基底偏壓至-160v。

（5）此時保持工作氣壓在0.5pa。用電腦程序精確控制每個靶材的濺射時間。通過改變每個靶材的沉積時間可以得到它們的單層薄膜，以及nb-b-n納米復(fù)合涂層。其中nbn和nbb2沉積量分別約為60%、40%，總層厚為500納米。

（6）薄膜在高真空室內(nèi)，直到溫度降至室溫才打開腔室取出。

改變基底偏壓條件下合成nb-b-n納米復(fù)合涂層:

沉積參數(shù)：沉積時間為7200s，ar流量：40～41sccm；本底真空度：2.9×10^-4pa~3.0×10^-4pa；工作氣壓：0.5pa；濺射源工藝參數(shù)：射頻靶nbn濺射功率為100w,脈沖直流靶nbb2濺射功率為20w；靶基距為7cm,基底偏壓-160v。

對于最佳條件，實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作如上（1）-（4）所述，根據(jù)nbn和nbb2的沉積率，計(jì)算出它們?yōu)R射的時間。設(shè)定在沉積時間為7200s，基底溫度為室溫。這樣在n2環(huán)境下就可以得到需要的nb-b-n納米復(fù)合涂層，隨后，我們將制備的nb-b-n納米復(fù)合涂層，在真空條件下進(jìn)行300℃的高溫退火，最終得到性能最佳的nb-b-n納米復(fù)合涂層。

本發(fā)明對各種工藝條件下合成的單質(zhì)涂層和納米復(fù)合涂層分別利用了美國mts的納米力學(xué)測試系統(tǒng)和美國的xp-2表面形貌儀進(jìn)行了包括納米硬度、彈性模量、結(jié)合力等性能進(jìn)行了測試，同時進(jìn)行了原子力顯微鏡(afm)測試。

測試的數(shù)據(jù)主要結(jié)果如下：

1、就單質(zhì)薄膜來說：nbn和nbb2兩單質(zhì)膜的硬度不高，分別為14gpa和18gpa。

2、就復(fù)合涂層來說：在適當(dāng)基底偏壓結(jié)合氮?dú)饬髁織l件及一定退火溫度下合成的納米復(fù)合涂層的硬度普遍高于兩單質(zhì)膜的。在基底偏壓為-160v下制備的nb-b-n納米復(fù)合涂層，真空下退火溫度為300℃，最終得到硬度最高為27.5gpa，同時彈性模量為287.52gpa。

3、就復(fù)合涂層來說：在適當(dāng)基底偏壓結(jié)合氮?dú)饬髁織l件及一定退火溫度下合成的硬質(zhì)nb-b-n納米復(fù)合涂層的臨界載荷普遍高于兩單質(zhì)膜的。在基底偏壓為-160v下制備的nb-b-n納米復(fù)合涂層，真空下退火溫度為300℃，最終得到的表面粗糙度為ra=0.208nm。

4、總體來講：各個條件下合成的nb-b-n納米復(fù)合涂層的納米硬度、膜基結(jié)合力、機(jī)械性能均比同樣條件下合成的單質(zhì)nbn和nbb2薄膜相應(yīng)的性能平均值均明顯改善；相對而言，合成的基底偏壓為-160v，并在真空條件下對其進(jìn)行300℃的高溫退火的nb-b-n納米復(fù)合涂層力學(xué)性能改善最為明顯，納米硬度可以達(dá)到27.5gpa，同時彈性模量為287.52gpa。相比于兩單層膜，熱穩(wěn)定性和耐摩擦性能也有了明顯提升，為實(shí)際的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。進(jìn)一步通過控制工藝參數(shù)可以制備出具有優(yōu)良的機(jī)械特性的nb-b-n納米復(fù)合涂層。

實(shí)施例2

硬質(zhì)nb-b-n納米復(fù)合涂層的應(yīng)用方向：切削工具、模具、機(jī)械的零部件等工程材料。

作為機(jī)械工程材料，如內(nèi)燃機(jī)、人造假肢和計(jì)算機(jī)的磁記錄硬盤等都需要薄膜涂層來保護(hù)，薄膜技術(shù)具有保護(hù)結(jié)構(gòu)材料的作用，不僅要具備一定的較高的硬度、韌性、耐磨性以及自潤滑性，還需要兼顧良好化學(xué)惰性、熱穩(wěn)定性。而利用jgp-450型磁控濺射沉積系統(tǒng)在n2環(huán)境下制備的單層nbn涂層和nbb2涂層組成的硬質(zhì)nb-b-n納米復(fù)合涂層具有較高硬度、高膜基結(jié)合力，良好耐摩擦性能和熱穩(wěn)定性的優(yōu)良機(jī)械特性。nbn和nbb2的復(fù)合涂層在切削工具、機(jī)械零部件等領(lǐng)域?qū)⒂兄匾膽?yīng)用前景。

采用jgp-450型磁控濺射沉積系統(tǒng)由nbn和nbb2用來合成在n2環(huán)境下組成的硬質(zhì)nb-b-n納米復(fù)合涂層，不僅可以提高材料本身的硬度、膜-基結(jié)合力等機(jī)械性能，并且可以進(jìn)一步改善材料的耐摩擦性能和熱穩(wěn)定性。

硬質(zhì)nb-b-n納米復(fù)合涂層為切削工具、模具、機(jī)械的零部件的表面改性提供可能，相比于單層nbn涂層和nbb2涂層，采用jgp-450型磁控濺射沉積系統(tǒng)制備的nb-b-n納米復(fù)合涂層會在結(jié)構(gòu)薄膜技術(shù)領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用：

本發(fā)明公開和提出的jgp-450型磁控濺射沉積系統(tǒng)制備硬質(zhì)nb-b-n納米復(fù)合涂層，本領(lǐng)域技術(shù)人員可通過借鑒本文內(nèi)容，適當(dāng)改變原料、工藝參數(shù)等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的方法與產(chǎn)品已通過較佳實(shí)施例子進(jìn)行了描述，相關(guān)技術(shù)人員明顯能在不脫離本發(fā)明內(nèi)容、精神和范圍內(nèi)對本文所述的方法和產(chǎn)品進(jìn)行改動或適當(dāng)變更與組合，來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明技術(shù)。特別需要指出的是，所有相類似的替換和改動對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的，他們都被視為包括在本發(fā)明精神、范圍和內(nèi)容中。