论文总字数：19911字

摘 要

本文采用MSIP019型磁控溅射离子镀膜设备，通过改变镀膜时间和靶基距的大小来改变镀层的厚度和成分，在高速钢、玻璃片上沉积蓝色镀层。采用SEM、XRD分析了镀层的形貌、厚度和组织；采用分光光度计测试了镀层对波长为300~1500nm光波的吸收、反射率；采用色差仪对镀层进行色彩表征。

研究结果表明：在仅改变镀膜时间的条件下，镀层随着镀膜时间的增加而逐渐变厚，镀层由蓝色向黄色过渡。在仅改变靶基距的条件下，镀层的厚度随着靶基距的增大而减小，镀层的色彩由黄色转变为蓝色。此外，对于不同的基材，色彩变化速率也不相同，在相同条件下，高速钢镀层的色彩变化速率比玻璃片镀层快。

关键词：磁控溅射 蓝色系镀层 色彩表征

Preparation and characterization of blue plating color based on sputter ion technology

ABSTRACT

The blue TiN thin film were deposited on a high-speed steel, glass and monocrystalline silicon wafers, by the MSIP019 type unbalanced magnetron sputter ion plating equipment in this study. By changing the time of plating and the size of the target ,and then getting varying degrees of film. Using SEM,XRD analysised of the film morphplogy,thickness and structure;Using the spectrophotometer to test the coating absorption and reflectivity of light which wavelength was 200 nm to 800 nm; Using color difference meter to get the color characterization of the coatings.

Experimental results show that under the conditions of only changing the time of plating, the thickness of the film is getting more and more thick, the film's color becomes more and more blue by plating more time. Under the conditions of only changing the target-substrate distance, the thickness of the film is getting more and more thin, the film's color becomes more and more shallow by increasing the target-substrate distance.At the same time,the color changes in different substrates are also different.Under the same conditions,the color change rate of high speedsteel is faste than glass.

Keywords：Magnetron sputtering ; Blue Plating ; Color characterization

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 文献综述 1

引言 1

1.1磁控溅射技术发展及应用 1

1.2 非平衡磁控溅射 2

1.2.1非平衡磁控溅射原理 2

1.2.2 非平衡磁控溅射优点及影响因素 3

1.2.3 磁控溅射制备TiN镀层 4

1.3 镀层的色彩表征 4

1.3.1 可见光 4

1.3.2 色彩的表征 5

1.4本研究的目的及意义 6

1.5本实验的研究线路图 7

第二章 实验方案 8

2.1 实验材料及镀膜前预处理 8

2.1.1实验基材 8

2.1.2 镀膜前预处理 8

2.2 TiN镀层的制备 8

2.2.1 镀膜设备 8

2.2.2 镀膜过程 9

2.3镀层的检测 10

2.3.1镀层的厚度和表面截貌分析(SEM) 10

2.3.2 镀层的相结构分析（XRD） 10

2.3.3 镀层的色彩表征（色差仪）(分光光度计) 11

第三章 实验结果分析与讨论 12

3.1 不同镀膜时间镀层的厚度、截面形貌（SEM）与表面分析 12

3.2不同镀膜时间镀层的相结构分析（XRD） 13

3.3不同镀膜时间镀层的色彩表征 14

3.3.1 样品的色彩表征 14

3.3.2 镀层L、a、b分析 16

3.3.3镀层ΔE分析 18

3.3.4高速钢和玻璃片的比较 19

3.4 靶基距对镀层色彩的影响 21

3.4.1 镀层L、a、b分析 21

3.4.2 ΔE的分析 24

第四章 结论 25

参考文献 26

致谢 28

第一章 文献综述

引言

经过数十年的发展，硬质镀层的研究已经进入一个新的阶段。硬质镀层的市场随着加工条件与人们使用要求的提高而不断扩大。国内的需求也愈加热烈，人们不仅追求高硬度、高耐磨性与耐蚀性的镀层，同时也越来越重视镀层的装饰性。

TiN镀层的出现，很大程度上提高了刀具的切削寿命，可以获得较高的加工精度和生产效率，使得其在机械加工行业获得广泛的应用。同时，TiN镀层在装饰行业也有较高的应用。因为TiN镀层不仅具有良好的耐蚀性和耐磨性，同时，根据镀膜工艺参数设定的不同，可以获得不同的色彩（蓝色，黄色，银色等），从而满足不同人的对美的需求。^【1】目前广泛使用电弧离子镀将TiN镀在金属基体上，以获得想要的色彩。但是，电弧离子镀膜过程中，由于高温电弧通常会一定程度上熔融靶材，使得靶材融成液滴，在基体表面形成污染，影响镀层的美观，破坏色彩的连续性。在一定程度上影响镀层的粗糙度和色泽。并且，镀膜时基体温度较高，限制了TiN镀层应用于装饰方面的发展。磁控溅射离子镀是一种新兴发展的物理气相沉积（PVP）镀膜方法，与电弧离子镀相比，该方法沉积时温度低，同时得到的镀层表面光滑，具有很高的观赏性。而运用TiN做镀层，大多呈现金黄色，不能满足所有人的喜好。本研究通过改变靶基距和镀膜时间，利用磁控溅射离子镀膜技术制备出蓝色系列镀层，同时不改变镀层的性能或尽可能的提升镀层的性能，来满足部分对蓝色系列喜爱人群的需求。

1.1磁控溅射技术发展及应用

磁控溅射技术是一种高速发展的新型物理气相沉积镀膜技术，现已广泛的应用在材料表面镀膜领域。1852年，格洛夫（Grove)发现阴极溅射现象，自此，溅射技术跨入时代的先河。而磁控溅射技术发展于20世纪40年代，事实上，当时的主流镀膜技术还是蒸镀技术，直到70年代，美国贝尔实验室和西屋电气公司采用长度为10米的连续溅射镀膜技术，镀制出集成电路中的钽膜。1974年，J.Chapin发现平衡磁控溅射。使得磁控溅射镀膜时压强提高，镀膜时间减短，以及镀膜沉积率的大幅度提高，磁控溅射镀膜才开始广泛的应用于各大领域。磁控溅射沉积技术在发展过程中有几次重大突破，从开始的二级溅射到平衡磁控溅射，再由于电子信息技术的发展，各种操作平台进入磁控溅射领域，引出了非平衡磁控溅射技术。之后，磁控溅射进入发展的黄金时期，反应溅射，共溅射，脉冲溅射技术也逐步进入成熟阶段。国外由于溅射技术发展的早，有着一套成熟的技术指导，在各大领域有着广泛的应用。目前国际上使用磁控溅射沉积镀层的公司最负盛名的莫过于CemeCon和Teer，特别是Teer公司提出的非平衡磁控溅射技术，显著的提升了镀膜的质量。而在国内，磁控溅射技术在工具磨具，防腐蚀，建材装饰，电子光学等领域有着比较广泛的应用。利用磁控溅射技术进行磁学、光学、热学、超导、介质、催化等功能性镀层的制备是当前研究的热点。但是，由于国内引进与学习磁控溅射技术较国外稍晚几十年，在非平衡磁控溅射技术以及后续发展的几种溅射沉积技术这一块发展的并不成熟。国内的相关研究机构也比较少，发表的专业性论文也不多，还需要进一步的学习与创新。

而进入到21世纪，随着表面技术的发展以及工业上的需求，新型磁控溅射如自溅射，高速溅射等成为目前磁控溅射发展领域的新趋势。高速溅射能到大约几个微米每分钟的高速率沉积，这样可以大幅度缩短镀膜的时间，提高生产效率，同时也可能取代目前对环境污染较大的电镀工艺。同时，人们不断的对靶源进行改进，希望能够提高靶材的利用率（目前只有30%~40%）与镀膜时的稳定性，这样可以减少成本，使得该技术有效的应用于更多的领域，服务更多的行业。

1.2 非平衡磁控溅射

1.2.1非平衡磁控溅射原理

磁控溅射系统在真空室充入压力为0.1~10Pa的Ar气体。阴极靶材（Ti）背后放置100~1000高斯的高强磁铁，在高压的作用下，Ar原子电离成Ar 离子和电子，产生辉光放电。电子在电场与磁控的双重作用下飞向基片（高速钢试样）。非平衡磁控溅射为多靶系统，通过改变靶的排列方式可以得到想要的磁控强度。图1-1^【1】几种常见的靶排列方式。而由于非平衡磁控管形成的限制磁场较弱，在真空室中磁力线从靶表面延伸出来，在靶的表面区域磁场对电子和粒子的限制相对较弱，因而粒子中的电子很容易到达基片上，粒子流的密度较高，等离子体的区域可以扩展到基片表面。撞击加热基片到较高的温度，并且提供电离的机制，同时Ar 离子在撞击靶的过程中放出能量，导致靶材表面原子吸收撞击产生的能量脱离原晶格的束缚，呈中性的靶原子飞向基片，在基体表面沉积成致密的镀膜。而通过改变实验中镀膜时间和靶基距等参数，可以使镀层呈现不同色彩，制备出所需的蓝色系镀层。

1.2.2 非平衡磁控溅射优点及影响因素

与其他镀膜技术相比较，非平衡磁控溅射技术中可制备成靶的材料广泛，几乎所有金属，合金以及陶瓷材料皆可制成靶材。同时在适当的条件下进行多元靶材共溅射方式，可以沉积出配比精确的合金镀层；在溅射的气氛中加入氮、氧等活性气体，可以制备出靶材物质与气体分子相结合的化合物镀层；通过离子溅射靶材物质可以使得其直接由固态转变为离子态，靶材的安装不受限制，可以进行沉积室大面积沉积镀膜；沉积出的镀层具有低内应力，高密度，高强度，与基片结合性能优秀等特点。通过两个及两个以上非平衡磁控管不同的排列方式，依靠其磁控管组合产生的闭合场来有效增加镀膜过程中的等离子密度，提高溅射的速率，改进镀膜的质量^【2】。

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