利用HiPIMS制备出的Ti-Si-N薄膜硬度可以达到66GPa！

引言

Ti-Si-N是被认为是一种高硬度的膜层，Veprek（1999）提出了一种结构模型，认为是非晶包含纳米晶结构。这有点类似于我们见到的沥青和石头混合路面结构。这里的纳米晶尺寸和非晶含量的多少是很讲究的。太多不行，太少也不行。

自从Veprek提出这个PVD涂层硬化模型以后，人们进行了很多尝试。利用了不同的方法，如多弧、磁控、复合PVD+PECVD方法等等，都得到了很好的效果。

HiPIMS（也是诞生于1999年）出现以后，人们利用该高能脉冲磁控也尝试了Ti-Si-N薄膜的制备。俄罗斯科学家制备出的TiSiN薄膜的硬度可以达到66GPa，这是令人惊奇的。

点睛

1） Ti-Si-N已经被证明可以具有高硬度、高耐磨特性。

2） 高能脉冲磁控技术（HiPIMS）改变了传统的磁控放电特性，获得了溅射粒子的高度离化。进一步优化了Ti-Si-N的结构，硬度可以达到66GPa。

内容

索引文献的作者们采用了高功率脉冲磁控溅射方法进行放电（实验室靶的尺寸为100mm直径，5mm厚度，含Si10%）。放电电流可以到400A。

他们的放电电源很好，有一个小的初始放电电流，用于稳定放电。这与哈工大研究的DC+PulseHiPIMS是相似的。高能脉冲放电确实有效果，等离子体中有2价的Ti和Ar离子，而且离子的峰位都很高（见下图）。这会改变膜层的轰击动力学。

在160A的脉冲电流下沉积的膜层元素含量为：Ti （约41%）、Si(约5%)和N（约55%），膜层沉积了1.2um，膜层的硬度达到了66GPa，而且摩擦系数也很低，仅有0.54。大大提高了耐磨性。

总结

1） 随着PVD硬膜技术的发展，我国等离子体镀膜技术应用方兴未艾。在镀膜时需要在几个技术细节上下功夫，如镀膜前的炉外和炉内清洗、膜层的结构设计、偏压设计、等离子体源的设计以及等离子体电源的设计等等。

尤其等离子体电源设计尤为重要，因为它可能会产生超常规放电，这会引起一系列的非线性、非平衡效应，包括等离子体放电和膜层生长，为膜层结构设计和性能提升提供了极大的想象的空间。

2） 这里是俄罗斯科学家研究的Ti-Si-N结果，其实在很多方面都可以得到应用。俄罗斯在镀膜放电理论和实践方面做的很出色。

3） 高功率脉冲磁控的好处，这里不再叙述，已经有很多文献报道。可能需要大量的测试和场景验证，才能推进该技术的快速进步和广泛应用。