利用HiPIMS制備出的Ti-Si-N薄膜硬度可以達到66GPa！

引言

Ti-Si-N是被認為是一種高硬度的膜層，Veprek（1999）提出了一種結構模型，認為是非晶包含納米晶結構。這有點類似于我們見到的瀝青和石頭混合路面結構。這里的納米晶尺寸和非晶含量的多少是很講究的。太多不行，太少也不行。

自從Veprek提出這個PVD涂層硬化模型以后，人們進行了很多嘗試。利用了不同的方法，如多弧、磁控、復合PVD+PECVD方法等等，都得到了很好的效果。

HiPIMS（也是誕生于1999年）出現以后，人們利用該高能脈沖磁控也嘗試了Ti-Si-N薄膜的制備。俄羅斯科學家制備出的TiSiN薄膜的硬度可以達到66GPa，這是令人驚奇的。

點睛

1） Ti-Si-N已經被證明可以具有高硬度、高耐磨特性。

2） 高能脈沖磁控技術（HiPIMS）改變了傳統的磁控放電特性，獲得了濺射粒子的高度離化。進一步優化了Ti-Si-N的結構，硬度可以達到66GPa。

內容

索引文獻的作者們采用了高功率脈沖磁控濺射方法進行放電（實驗室靶的尺寸為100mm直徑，5mm厚度，含Si10%）。放電電流可以到400A。

他們的放電電源很好，有一個小的初始放電電流，用于穩定放電。這與哈工大研究的DC+PulseHiPIMS是相似的。高能脈沖放電確實有效果，等離子體中有2價的Ti和Ar離子，而且離子的峰位都很高（見下圖）。這會改變膜層的轟擊動力學。

在160A的脈沖電流下沉積的膜層元素含量為：Ti （約41%）、Si(約5%)和N（約55%），膜層沉積了1.2um，膜層的硬度達到了66GPa，而且摩擦系數也很低，僅有0.54。大大提高了耐磨性。

總結

1） 隨著PVD硬膜技術的發展，我國等離子體鍍膜技術應用方興未艾。在鍍膜時需要在幾個技術細節上下功夫，如鍍膜前的爐外和爐內清洗、膜層的結構設計、偏壓設計、等離子體源的設計以及等離子體電源的設計等等。

尤其等離子體電源設計尤為重要，因為它可能會產生超常規放電，這會引起一系列的非線性、非平衡效應，包括等離子體放電和膜層生長，為膜層結構設計和性能提升提供了極大的想象的空間。

2） 這里是俄羅斯科學家研究的Ti-Si-N結果，其實在很多方面都可以得到應用。俄羅斯在鍍膜放電理論和實踐方面做的很出色。

3） 高功率脈沖磁控的好處，這里不再敘述，已經有很多文獻報道。可能需要大量的測試和場景驗證，才能推進該技術的快速進步和廣泛應用。