多弧离子镀TiN薄膜颜色性能的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)华南理工大学材料科学与工程学院 作者:张启沛

  用多弧离子镀技术在3Cr13 不锈钢表面沉积TiN 薄膜,用扫描电子显微镜和可见光分光光度计研究了大颗粒、氮气流量与靶电流对膜层颜色性能的影响及其作用规律。结果表明,大颗粒由表面结晶层、中间层和液滴层组成,大颗粒数量较少时不会影响薄膜的颜色性能。增加氮气流量,样品的反射率呈下降趋势,颜色坐标红/绿值a* 和黄/蓝值b* 增大,明度L* 减小,彩度指数C*ab增大,色调角H*ab减小,薄膜颜色由银灰色逐渐变化为深黄色; 然而,随着靶电流的增大,色调角H*a b增大,彩度指数C*ab、红/绿值a* 和黄/蓝值b* 减小,薄膜颜色从深黄色逐渐变为银白色。靶电流的变化改变了膜层中钛和氮的原子比,可对氮气流量的变化起到补偿作用。

  不锈钢本身具有优良的耐蚀,耐磨等特性,目前已广泛应用于日用、汽车工业、建筑等方面,随其需求领域的扩大,彩色不锈钢悄然问世。彩色不锈钢不仅增加了装饰性和艺术性,而且提高了钢的耐蚀性和耐磨性。如今,彩色不锈钢的应用越来越广,要求也越来越高。不锈钢的表面技术处理技术直接影响着彩色不锈钢的应用和发展,对研究不锈钢表面着色具有较大的实用价值和实际意义。

  TiN 薄膜具有硬度高,化学惰性好,颜色独特等优点,在耐磨和耐腐蚀的表面涂层,半导体的扩散阻挡层,装饰行业等均有广泛应用。采用多弧离子镀技术在金属表面制备仿金氮化钛装饰膜层具有生产效率高、工艺成本低、膜层性能稳定等优点,该方法已经进入实用化的生产阶段。本文旨在系统研究大颗粒、氮气流量与靶电流对膜层色泽的影响及其变化规律,为采用多弧离子镀制备氮化钛仿金装饰膜及优化膜层色泽提供依据。

1、实验内容

1. 1、实验设备及材料

  本实验采用AIP-01 型多弧离子镀膜机进行镀膜,其中溅射靶材是纯度为99. 9% 的钛靶,工作气体是纯度为99. 99% 的氩气( Ar) ,反应气体是纯度为99. 99%的氮气( N2) ,基体是尺寸为40 mm × 20mm × 2 mm 的3Cr13 不锈钢。

1. 2、实验方法

  基体经磨光、抛光后用丙酮和无水乙醇依次超声清洗各15 min,烘干后装进镀膜机中,抽真空至真空度到达6. 0 × 10 -3 Pa 或以上,加热至沉积温度,通氩气至工作气压,开启弧靶首先镀覆纯钛底层5 min( 工艺如表1) ,然后通氮气镀覆TiN 膜。

表1 镀纯钛底层工艺

镀纯钛底层工艺

  采用不同的工艺参数( 氮气流量和靶电流) 对试样表面进行镀膜处理,使用LEO-1530VP 型场发射扫描电镜( FE-SEM) 观察薄膜形貌。

  采用Perkin Elmer Lambda950 紫外/可见光分光光度计测定TiN 薄膜的颜色性能。参照国际照明委员会( CIE) 推荐的三种施照体: 标准施照体A、C 与D65,通过分光光度计测定薄膜的光谱反射率ρ( λ) 值,然后用其自带的数据分析系统计算出三种标准施照体下的LAB 颜色坐标的三个正交参数:L* 、a* 、b* ,在国家标准的CIE 1976( L* 、a* 、b* ) 颜色体系中,L* 表示颜色的亮度( L* = 0 生成黑色而L* = 100 指示白色) ,a* 表示红- 绿色方向( +a* 表示红方向,- a* 表示绿方向) 和b* 表示黄-蓝色方向( + b* 表示黄方向,- b* 表示蓝方向) 。再利用颜色坐标计算出颜色参量色调角H*ab和彩度指数C*ab,色调角H*ab代表主波长,彩度指数C*ab代表颜色纯度。其中,

多弧离子镀TiN薄膜颜色性能的研究

2、结论

  (1) 大颗粒大部分由液滴层、中间层和结晶层组成,结晶层露于表面,大颗粒的数量较少时对薄膜颜色的影响不大,如果大颗粒的数量过多,大颗粒覆盖膜层,薄膜的反射率就会下降,明度也下降。

  (2) 在不同的氮气流量条件下可制备从银白色到深黄色变化的氮化钛薄膜。随着氮气流量的增加,薄膜反射率曲线下降,在LAB 色度空间表现为明度L* 和色调角H*ab减小,红/绿值a* 、黄/蓝值b*和彩度指数C*ab增大。

  (3) 随着靶电流的增大,可制备从深黄色到银白色变化的氮化钛薄膜,在LAB 色度空间中表现为色调角H*ab增大,彩度指数C*ab,红/绿值a* 和黄/蓝值b* 减小,因靶电流的变化改变膜层中钛和氮的原子比,可对氮气流量的变化做补偿作用,所以随着靶电流的增加,度L* 在前部分逐渐增大,对于后部分L* 值的减小,应该是随着电流的进一步增加,膜层中生成大量的大颗粒等缺陷的所致。

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