银掺杂对NbN-Ag薄膜微观结构、力学及摩擦学性能的影响机制研究

本文推荐：该研究通过反应磁控溅射技术制备不同银(Ag)含量的NbN-Ag纳米结构薄膜，系统探究了Ag掺杂（~2.1 at.%时形成fcc-Ag与fcc-NbN两相共存结构）对薄膜硬度（峰值~17.6 GPa）、晶界强化效应及摩擦系数（最低~0.54）的影响规律，为过渡金属氮化物(TMN)薄膜的耐磨减摩设计提供了新思路。

　　

Highlight

银(Ag)因其低临界剪切应力，在过渡金属氮化物(TMN)硬质薄膜的减摩增韧研究中广泛应用。本研究通过反应磁控溅射制备不同Ag含量的NbN-Ag纳米结构薄膜，揭示了其微观结构、力学性能与摩擦行为的内在关联。

Microstructural evolution with Ag doping

当Ag掺杂量达~2.1 at.%时，fcc-Ag相与fcc-NbN基体相共存，Ag以二维覆盖层或纳米晶形式嵌入。薄膜硬度随Ag含量增加呈先升后降趋势，在~2.1 at.%时达到峰值~17.6 GPa，这主要归因于第二相Ag诱导的晶界强化效应。

Discussion

根据杂化生长模型，Ag在NbN晶面极化并形成二维第二相，抑制基体相生长。NbN相以随机取向的三维晶粒形式存在，这种结构即使在低Ag掺杂水平下仍能显著提升性能。

Conclusion

采用反应磁控溅射技术制备的NbN-Ag薄膜中，~2.1 at.% Ag掺杂使薄膜硬度（~17.6 GPa）和韧性同步提升，平均摩擦系数降至~0.54，展现出最优异的耐磨性能。金属相Ag对增强NbN-Ag纳米结构薄膜的力学和摩擦学性能具有关键作用。