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2024年4月12日发(作者：三角函数对应边图)
博士学位论文
摘 要
表面薄膜赋予材料表面耐磨、耐蚀、耐热、耐疲劳以及特殊的光、热、电和
磁等多种功能，在现代高新技术中受到了越来越多的重视，成为材料科学中最活
跃的研究领域之一。薄膜材料和薄膜技术为机械、能源和交通等部门，以及现代
军事提供了具有优异性能的新材料和器件，极大地促进了光电子技术、计算机技
术、航空航天技术等现代高新技术的发展，在高新技术产业中具有举足轻重的作
用。本文研究了三种无机薄膜的制备工艺及其力学和耐蚀性能，获得了一些有意
义的结果。
采用磁控溅射方法在硅和玻璃基体上沉积了BaTiO
3
(BTO)薄膜，通过原位测
试不同厚度BTO薄膜的应力、介电常数和铁电性能随温度的变化规律，系统研究
了薄膜的铁电性能与厚度和应力的关系，并用两种方法确定BTO薄膜的双轴杨氏
模量和热膨胀系数。实验结果表明，BTO薄膜中的应力为张应力。膜中张应力随
薄膜厚度的减小而增大，导致居里温度下降，剩余极化减小，矫顽场增大。特别
是当厚度较小(35~250nm)时，这种变化更加明显。张应力对薄膜居里温度的影响
主要位于300-450Mpa应力区间，在该区间内，应力增大导致薄膜居里温度线性下
降（0.16℃/Mpa）。根据温度升高过程中BTO薄膜应力曲线的斜率变化、介电常数
峰值、电滞回线收缩等确定的居里温度一致。由于薄膜中张应力的存在，BTO薄
膜相变温度比体材料的相变温度低。电滞回线表明铁电-顺电相变开始于BTO薄膜
的居里温度，并持续到接近BTO体材料的居里温度。说明BTO薄膜中存在多种
畴。BTO薄膜的铁电性能主要由膜内畴决定，而表面畴的影响相对很小。另外，
根据升温过程中铁电-顺电相变时晶胞体积和应变的变化，以及不同基体上BTO薄
膜应力随温度变化率的计算结果表明，BTO薄膜双轴杨氏模量比体材料的稍大，
而热膨胀系数比体材料的偏小。
薄膜应力的存在和变化对薄膜与基体的粘结强度有很大影响。为了制备高质
量的类金刚石（DLC）薄膜，并改善DLC薄膜和基体之间的粘接强度，采用双离
子束轰击混合（DIBM）技术+离子束沉积(IBD)技术在钢基体上沉积DLC膜，研
究了DLC膜的力学性能和耐蚀性能。实验结果表明，利用DIBM + IBD沉积技术
可以明显提高DLC膜和钢基的复合硬度，而且还使硬度峰值向低能方向偏移；同
时显著地提高了DLC膜/基的粘结强度（当DIBM技术中所用中能Ar
+
束能量为30
keV时，其沉积的DLC膜临界载荷P
c
为IBD工艺沉积膜P
c
的2倍以上）。钢表面
类金刚石膜改性后，不仅具有减摩作用，而且表现出良好的耐磨性。失重试验结
I
无机表面薄膜力学及耐蚀性能研究
果表明，类金刚石膜可显著降低钢基体在腐蚀介质中的腐蚀速率，提高基体试样
抗均匀腐蚀的能力。从电化学实验和金相显微分析可知，钢基体上沉积的DLC膜
对腐蚀介质具有物理阻滞作用，可以有效地防止腐蚀介质渗入钢基体表面，提高
钢基体在腐蚀介质中的稳定性；同时还能增大阳极极化过程的阻力，降低电极催
化活性，提高其耐蚀能力，特别是改善了钢基体抗点蚀等局部腐蚀的能力。
另外，用重量法和电化学方法研究了镀液成分和工艺参数对化学镀Fe-P合金
沉积速率和镀层耐蚀性能的影响。实验中，采用了铜基体偶接铝的方法。实验表
明，偶接铝使施镀体系的电极电位负移，降低了体系的阴、阳极极化阻抗，诱导
了Fe-P合金的化学沉积。从镀液组分的反应级数可知，镀液中还原剂NaH
2
PO
2
浓度变化对化学沉积速率的影响最大，其次为FeSO
4
和氢离子浓度。计算出反应
活化热为4.425 Kcal/mol。由于氢析出等副反应的发生，用电化学方法确定的镀层
沉积速率大于重量法确定的沉积速率。用电化学方法和重量法两种方法确定镀层
在腐蚀介质中的腐蚀速率，和中性腐蚀介质相比，镀层在酸性腐蚀介质中的腐蚀
速率较大。化学镀层在1M NaOH介质中的极化曲线上出现若干个阳极电流峰，表
明多个阳极反应的存在。循环伏安曲线中阴、阳极峰电流的不同以及不同扫描速
度下峰电位的变化，说明反应为不可逆反应。
关键词
：
无机薄膜；相变；铁电性能；耐蚀性；力学性能；DIBM
II
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