陸昆，趙立軍

（1.滁州城市職業(yè)學院 醫(yī)學院，安徽 滁州 239000；2.江蘇科技大學 材料科學與工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 210003）

NbN是VB族過渡金屬元素的氮化物，因具有較高的臨界超導轉(zhuǎn)變溫度和臨界電流密度，作為一種優(yōu)異的超導材料而成為研究的熱點，并在傳感器、微電子和靈敏元件等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［1-4］。近些年來，研究者發(fā)現(xiàn)NbN薄膜還擁有良好的硬度、耐磨性和抗腐蝕性能［5-8］，被進一步應(yīng)用于刀具涂層、航天航空和裝備制造等行業(yè)。而隨著中國高端制造業(yè)的發(fā)展以及各種高溫、高壓等極端服役場景的不斷出現(xiàn)，對硬質(zhì)薄膜的性能提出了更高的要求，單一的NbN薄膜難以滿足服役條件。Selinder T I等［9］研究發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金刀具表面NbN涂層容易脆性斷裂，使得刀具切削性能下降，限制了NbN薄膜的應(yīng)用。當NbN薄膜應(yīng)用在要求極高的使用環(huán)境時，其固有的親水性限制了其應(yīng)用［10-11］，相反，疏水表面可以承受非常惡劣的服役條件，如腐蝕和磨損［12］。在此背景下，在NbN薄膜研究的基礎(chǔ)上，研究者嘗試通過摻雜其他元素以制備性能更加優(yōu)異的復合膜或設(shè)計不同體系的NbN基多層薄膜，以滿足復雜多變的服役環(huán)境要求。綜述了NbN基薄膜的研究進展，包括NbN單層膜、NbN基復合薄膜和NbN基多層薄膜，并對NbN基薄膜的發(fā)展和應(yīng)用進行了展望，旨為后續(xù)研究NbN基薄膜提供參考。

1 NbN單層膜

和TiN薄膜相比，NbN薄膜有著復雜的多晶結(jié)構(gòu)及更優(yōu)的力學性能、耐腐蝕和耐摩擦性能而受到國內(nèi)外研究者們廣泛關(guān)注［13-15］。Wen M和Li Y G等［16-17］研究了N2流量對NbN相組成和力學性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，低N2流量有利于六方h-NbN相（100）和立方δ-NbN相（200）的優(yōu)先取向形成，而高N2流量有利于δ-NbN相（200）的優(yōu)先取向形成，NbN涂層是h-NbN納米晶嵌入δ-NbN基體的納米復合涂層，隨著N2流量的增加，表征薄膜的抗彈性應(yīng)變能力H/E值和抗塑性形變能力H3/E2值都逐漸下降（其中H為顯微硬度，E為彈性模量），薄膜的韌性漸漸下降。Qi Z B等［18］也研究了N2分壓對NbNx涂層的組織、力學性能和氧化性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著N2分壓的增加，可以形成多種不同的NbN晶體結(jié)構(gòu)，薄膜硬度也發(fā)生變化。N2分壓5%時，XRD顯示薄膜呈現(xiàn)單一的h-Nb2N相；升高N2分壓到10%時，薄膜出現(xiàn)了h-Nb2N和δ-NbN的雙相結(jié)構(gòu)；繼續(xù)升高N2分壓至20%～40%時，薄膜以單一δ-NbN相存在，并且擇優(yōu)取向由（111）面轉(zhuǎn)變成（200）面。雙相結(jié)構(gòu)時，基于分散強化和細晶強化效應(yīng)的獨特納米復合結(jié)構(gòu)，薄膜的硬度達到最大。通過對抗氧化性能研究發(fā)現(xiàn)，δ-NbN相結(jié)構(gòu)的涂層因具有裂紋和氣孔的Nb2O5，使得抗氧化性能下降。此外，Singh K等［19］采用反應(yīng)直流磁控濺射法沉積了NbN薄膜，研究了氮氣流量和襯底偏壓對沉積速率、晶體結(jié)構(gòu)、表面硬度、附著力和摩擦學性能的影響，發(fā)現(xiàn)N2/Ar流量比決定了涂層的晶體結(jié)構(gòu)，隨著N2/Ar流量比的增大，涂層的晶體結(jié)構(gòu)由h-Nb2N相逐漸轉(zhuǎn)變成δ-NbN相，當N2/Ar流量比為0.20～0.30時，襯底偏置電壓為-50～-75 V時沉積的涂層具有較高的硬度、較好的附著力和較低的摩擦系數(shù)。

Mamun M A等［20］采用脈沖激光沉積氮化鈮薄膜，NbN薄膜具有多晶結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸范圍廣泛，硬度和平均模量分別在25 GPa和420 GPa左右。Cui X F等［21］采用射頻磁控濺射技術(shù)制備了NbN薄膜，并分別在300 °C和400 °C下進行了熱處理，發(fā)現(xiàn)熱處理后薄膜的力學性能和耐腐蝕性能更好。此外，李永良等［22-23］利用磁過濾等離子體沉積技術(shù)制備了NbN薄膜，沉積膜的質(zhì)量與樣品的襯底溫度有關(guān)，襯底溫度越高，生成的膜越致密，膜的表面越平整光滑。NbN薄膜可顯著提高碳鋼樣品的抗腐蝕性能，使得樣品表面鈍電流密度降低1至2個數(shù)量級。張宏森等［24］研究了濺射方式對NbN薄膜結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性和阻擋性能的影響，發(fā)現(xiàn)射頻方式制備的 NbN 薄膜為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，而直流濺射制備的 NbN 薄膜則為晶態(tài)結(jié)構(gòu)。退火溫度至700 ℃時，射頻濺射制備的NbN 薄膜仍然以穩(wěn)定的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)存在，其對Cu原子的阻擋性能明顯優(yōu)于直流濺射制備的NbN薄膜。

單層納米結(jié)構(gòu)薄膜具有制備方法簡單、易控制等優(yōu)點，但由于基底與薄膜間之間成分、結(jié)構(gòu)的不同，表現(xiàn)出彈性模量、膨脹系數(shù)等的差異，以及殘余應(yīng)力的存在，使得單一陶瓷薄膜存在易開裂、剝落的問題，在薄膜厚度增加時這種現(xiàn)象更加明顯。研究者們嘗試通過摻雜某些金屬或非金屬元素來制備NbN基復合薄膜，來改善NbN薄膜的性能。

2 NbN基復合薄膜

研究者采用摻雜元素制備NbN基復合膜的方法，一方面固溶強化或細晶強化可以提升 NbN薄膜力學、耐磨損和耐腐蝕等性能，另一方面進一步擴大NbN基薄膜的應(yīng)用領(lǐng)域。如通過摻雜Al、V、Ag等金屬元素可使薄膜結(jié)構(gòu)致密、晶粒細化，薄膜與基底結(jié)合力增強，進而提高其硬度、抗氧化性能和耐腐蝕性能。而非金屬元素Si、B、C 等的摻雜可使薄膜形成典型的非晶包裹納米晶結(jié)構(gòu)，從而改善薄膜的力學、抗氧化性能和摩擦磨損性能。此外，還有研究者摻入兩種元素來進一步優(yōu)化NbN薄膜的綜合性能，也取得了顯著的效果。

2.1 摻雜金屬元素的NbN基復合膜

Benkahoul M和Ju H B等［25-26］采用磁控濺射沉積了不同Al含量的NbAlN薄膜，研究Al含量對NbAlN薄膜的結(jié)構(gòu)、耐磨性和熱穩(wěn)定性性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著Al 含量的逐步增加，晶粒尺寸減小，六方h-NbN相逐漸消失，Al原子取代Nb原子，固溶強化和應(yīng)力變大共同作用使薄膜硬度升高，后因h-AlN相的形成硬度下降。NbAlN薄膜抗氧化溫度達到了700 °C，高溫摩擦試驗中生成的Al2O3和Nb2O5是擁有低摩擦系數(shù)的主要原因，與Franz R等［27］人研究結(jié)果一致。Fonseca R M等［28］采用磁控濺射的方法制備了NbN和Nb1-xAlxN薄膜，通過電化學阻抗譜和動電位極化測試評估了Al含量對薄膜腐蝕性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，NbAlN薄膜表面致密，呈柱狀結(jié)構(gòu)生長，將薄膜放置在濃度為3.5 %的NaCl溶液30 d后，在Nb0.4Al0.6N薄膜表面形成Nb2O5和Al（OH）3保護層是涂層擁有優(yōu)良耐腐蝕性能的主要原因。胡紅霞等［29］采用磁控濺射的方法制備Nb（V）N復合膜，研究發(fā)現(xiàn)，V元素的摻雜能夠改善NbN 薄膜的高溫摩擦磨損性能，復合膜的摩擦因數(shù)逐漸降低，因為在摩擦試驗中生成具有自潤滑性能的V2O5且其數(shù)量逐漸增加，在高溫700 ℃時V2O5熔化成為液體潤滑相。Ren P等［30］在NbN亞晶格中加入少量Y元素，研究發(fā)現(xiàn)少量Y原子的加入可以使NbN薄膜由親水性向疏水性轉(zhuǎn)變，NbN薄膜的耐磨性和力學性能也有所改善，Nb-Y-N薄膜有望在未來的精密加工應(yīng)用中用作保護膜，大大提高機器的使用壽命和效率。Ezirmik K V等［31］采用非平衡磁控濺射技術(shù)制備了NbN-Cu復合膜，研究發(fā)現(xiàn)Cu的摻雜抑制了NbN薄膜柱狀晶結(jié)構(gòu)的生長，Cu含量為1.07 at.%時，Cu形成了納米復合結(jié)構(gòu)的特征，此時復合膜的韌性、力學性能和耐磨性最佳，Cu含量增加至5.0 at.%以上時，薄膜中出現(xiàn)了軟質(zhì)相Cu，薄膜出現(xiàn)了多層結(jié)構(gòu)，硬度也顯著下降。Ju H B等［32］采用磁控濺射的方法制備了NbN-Ag復合膜，研究Ag原子對NbN薄膜摩擦磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)溫度在300 ℃的以下，NbN基體中加入Ag會導致摩擦系數(shù)隨著磨損率的增加而降低，而升高溫度700 ℃時，雙金屬氧化物AgNbO3的形成使得薄膜摩擦系數(shù)顯著降低。

2.2 摻雜非金屬元素的NbN基復合膜

Li W等［33］采用磁控濺射技術(shù)制備了不同Si含量的NbSiN復合膜，并將其表征為NbN納米晶被Si3N4界面相包圍的納米復合結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)當Si∶Nb比為1∶4時，Si3N4界面可以結(jié)晶，且它更傾向于與相鄰的NbN晶體相一致生長，從而產(chǎn)生強化膜的效果，并能協(xié)調(diào)相鄰NbN納米晶之間的取向，保持與NbN納米晶的共格外延生長，可用nc-NbN/c-Si3N4模型表示，如圖1所示。

圖1 NbSiN復合薄膜（Si∶Nb = 1∶4）的HRTEM橫斷面圖像 ［33］Fig.1 Cross-sectional HRTEM images of the NbSiN nanocomposite film （Si∶Nb = 1∶4） ［33］

當Si∶Nb比增加到6∶19時，Si3N4界面厚度的增加，Si3N4界面不再處于結(jié)晶態(tài)，而是轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)，形成典型的非晶包裹納米晶的結(jié)構(gòu)，這與Hultman L等［34］通過嚴密計算報道的結(jié)果相一致。Chen Y I等［35-36］采用磁控濺射技術(shù)沉積了Nb-Si-N薄膜，根據(jù)力學性能、殘余應(yīng)力、結(jié)構(gòu)和結(jié)合特性之間的關(guān)系將Nb-Si-N薄膜分為三類，發(fā)現(xiàn)Si含量較低時，Si原子取代Nb原子，固溶強化作用使得薄膜具有較好的力學性能， Si含量增加到一定程度后，Si在NbN中的溶解達到一定程度后會形成非晶Si3N4，反而降低了薄膜的硬度，但此時表現(xiàn)出更優(yōu)異的抗氧化性能。喻利花等［37］采用磁控濺射技術(shù)制備了NbSiN復合薄膜，發(fā)現(xiàn)Si含量對室溫下摩擦系數(shù)影響并不大，在高溫下具有更低的平均摩擦系數(shù)與高溫摩擦過程中生成的氧化物有關(guān)。

此外，武凡靖等［38］采用磁控濺射制備了NbBN復合薄膜，研究發(fā)現(xiàn)B含量為4.0 at.% 時，此時的BN為晶態(tài)，BN界面相包裹NbN 納米晶，并與NbN納米晶粒形成共格外延生長，產(chǎn)生了交變應(yīng)力場并阻礙了位錯的移動，使得薄膜的力學性能和抗腐蝕性能得以改善；當 B 含量增加到10.6 at.%時，BN 轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)，形成典型非晶包裹納米晶的結(jié)構(gòu)，可用nc-NbN / a-BN模型表示。時永治等［39］采用多靶磁控共濺射技術(shù)研究了基底偏壓對NbN-NbB2納米復合膜性能影響，發(fā)現(xiàn)基底偏壓的改變一方面能影響復合膜的晶相結(jié)構(gòu)，另一方面復合薄膜可以形成一種致密的結(jié)晶型，即非晶 NbB2嵌入結(jié)晶態(tài) NbN 中，同時結(jié)晶態(tài) NbN 緊密包覆非晶 NbB2的相互嵌入式的復合結(jié)構(gòu)，這說明基底偏壓對復合薄膜結(jié)構(gòu)具有重要影響。苑彩云［40］采用磁控濺射方法沉積了NbCN薄膜，研究發(fā)現(xiàn)C元素的引入使得薄膜的力學性能和耐磨性都得到改善，碳的摻雜可提高薄膜的韌性和H/E比值，而sp2結(jié)構(gòu)的碳原子可以在摩擦副材料表面起著固體潤滑劑的作用，使得NbCN薄膜摩擦系數(shù)降低，從而提高其摩擦磨損性能。涂高陽［41］通過雙陰極等離子濺射沉積技術(shù)在 TC4 合金表面制備了NbCN 涂層，研究結(jié)果表明所制備的NbCN涂層組織致密，薄膜與基體結(jié)合力良好，具有優(yōu)異抗腐蝕性能的主要原因是在NbCN涂層表面形成了Nb2O5鈍化保護膜。

2.3 摻雜兩種元素的NbN基復合膜

除了摻雜單一元素外，研究者們也嘗試通過添加兩種元素來改善NbN薄膜的綜合性能。Du H M等［42］采用反應(yīng)磁控濺射技術(shù)制備了不同C/Si比的NbSiCN復合薄膜，當C/Si含量為1∶4或3∶2時，薄膜的結(jié)晶度最佳，取向分別為（111）和（200）。同時發(fā)現(xiàn)復合薄膜的平均晶粒尺寸均較低，力學性能較好。在模量差和交變應(yīng)力場強化機制以及Hall-Petch關(guān)系的共同作用下，由眾多化合物的界面層組成的NbSiCN納米復合膜產(chǎn)生了超硬效應(yīng)。喻利花和Bian S N等［43-44］在課題組前期對NbCN薄膜的研究基礎(chǔ)上，采用磁控濺射技術(shù)制備了NbCN-Cu復合膜，研究了Cu含量對復合膜的組織結(jié)構(gòu)、力學性能、耐磨性和耐腐蝕性能的影響。NbCN-Cu復合膜由晶面心立方（fcc） Cu、面心立方（fcc） NbCN、六方密排（hcp） NbCN、非晶態(tài)石墨相和CNx相組成；薄膜呈柱狀結(jié)構(gòu)生長，隨著Cu含量的增加，復合膜晶粒尺寸變小，NbCN-Cu復合膜的硬度先逐漸升高后快速下降，高溫摩擦試驗過程中產(chǎn)生的Nb2O5和Cu2O是復合膜摩擦系數(shù)降低的主要原因，當Cu含量為2.6 at.%，不同相之間形成相干界面，導致晶界減小，從而減少了腐蝕介質(zhì)的通道，提高了薄膜的耐蝕性。胡紅霞等［45］采用磁控濺射法制備了NbVCN復合薄膜，研究了C元素對復合膜的結(jié)構(gòu)和性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著C含量的升高，薄膜中出現(xiàn)了非晶石墨相， C含量為6.3 %時，固溶強化和非晶石墨相的共同作用使得復合膜硬度最大，室溫下摩擦系數(shù)逐漸降低，高溫摩擦過程了產(chǎn)生了具有自潤滑作用的V2O5，有利于摩擦系數(shù)的進一步下降。江泉英［46］分別采用磁控濺射和電弧離子鍍技術(shù)制備了（NbAl-Si）N復合薄膜，主要研究了偏壓對薄膜微結(jié)構(gòu)和性能的影響。隨著偏壓的升高，薄膜表面顆粒尺寸減小，柱狀結(jié)構(gòu)消失，但致密性增加。磁控濺射技術(shù)制備的（NbAlSi）N薄膜硬度先增加后減小，Si元素的摻雜提高了薄膜的抗氧化性能，而電弧離子鍍技術(shù)制備的（NbAlSi）N薄膜硬度則逐漸升高，摩擦系數(shù)降低。Wu F J等［47］采用磁控濺射技術(shù)制備了NbCN-Ag復合薄膜，發(fā)現(xiàn)隨著Ag含量的增加，XRD圖譜中出現(xiàn)了Ag的衍射峰，Ag以單質(zhì)的形式存在薄膜中，晶粒細化，但復合膜硬度和彈性模量逐漸降低，Ag含量12.9 at.%時摩擦系數(shù)逐漸減小，這是由于Nb2O5、AgNbO3和Ag2O氧化物共存于磨損的基底表面，在高溫下充當固體潤滑劑的作用。然而，這些氧化物的抗剪強度較低，在滑動力的作用下會被磨損，這就導致了磨損率的增加。

可以發(fā)現(xiàn)，通過在NbN薄膜中摻雜金屬元素Al、V、Ag等，可使薄膜晶粒尺寸減小，微觀結(jié)構(gòu)更加致密，提升薄膜與基底的結(jié)合力，進而提高其硬度、抗氧化性能和摩擦磨損性能；而摻雜非金屬元素Si、C、B等則可使薄膜結(jié)構(gòu)中形成典型的非晶包覆納米晶的復合結(jié)構(gòu)，進而改善薄膜的硬度等力學性能。摩擦試驗中生成的金屬氧化物能使NbN 基復合薄膜呈現(xiàn)出優(yōu)良的耐磨性?？傊?，與 NbN 薄膜相比，元素摻雜得到的 NbN 基復合薄膜的硬度等力學性能有所改善，且其耐腐蝕性和耐磨損性能等綜合性能有較大提升。

3 NbN基多層薄膜

除了通過摻雜元素制備復合薄膜改進性能外，研究者們也嘗試了通過設(shè)計NbN基多層膜的方式增強薄膜的性能。與單層膜相比，由兩種氮化物薄膜以納米級厚度交替沉積形成的多層膜，常表現(xiàn)出物理和力學性質(zhì)的異常效應(yīng)而受到關(guān)注，尤其是調(diào)制周期降低到10 nm 以下時，出現(xiàn)硬度異常升高的超硬現(xiàn)象，進而進一步改善了材料的摩擦磨損等性能。此外，有研究者發(fā)現(xiàn)NbN基多層膜還具有良好的生物相容性，可以用作醫(yī)用器械表面改性的材料，擴大了其應(yīng)用領(lǐng)域。因此，研究者們試圖把陶瓷與NbN薄膜進行交替沉積，制備出陶瓷/NbN 納米結(jié)構(gòu)多層薄膜，以期獲得綜合性能優(yōu)異的多層薄膜。結(jié)果表明，陶瓷/NbN多層薄膜的性能優(yōu)于各單層薄膜。

3.1 NbN基多層膜的超硬效應(yīng)研究

李戈揚等［48-49］采用反應(yīng)磁控濺射法制備了不同調(diào)制周期的TiN/NbN多層膜，發(fā)現(xiàn)TiN／NbN 薄膜具有很好的調(diào)制結(jié)構(gòu)，并呈現(xiàn)以面心立方晶體結(jié)構(gòu)穿過調(diào)制界面外延生長的多晶超晶格結(jié)構(gòu)特征，調(diào)制周期8.3 nm時，多層膜硬度高達39 GPa，出現(xiàn)了超硬現(xiàn)象，對材料起到了強化作用，分析認為兩種不同晶格常數(shù)的晶體外延生長形成的交變應(yīng)力場是多層膜產(chǎn)生超硬效應(yīng)的主要原因。Lu C等［50］采用第一性原理計算方法研究了TiN （111）/NbN（111）納米多層膜的界面構(gòu)型對超硬度效應(yīng)的影響，證實了超硬效應(yīng)的存在，認為影響TiN （111）/NbN（111）納米多層膜超硬度效應(yīng)的主要因素是界面構(gòu)型，次要因素是界面結(jié)合行為。Wen W等［51-52］采用磁控濺射方法分別制備了不同調(diào)制周期和不同AlN層厚度的NbN/AlN納米結(jié)構(gòu)多層膜，無論是調(diào)節(jié)調(diào)制周期從3.9 nm增加到31.6 nm，還是設(shè)計AlN層厚度2.2 nm至12.2 nm，多層膜都出現(xiàn)了超硬效應(yīng)。喻利花等［53］采用射頻磁控濺射法制備了不同調(diào)制周期的AlN/NbN多層膜，發(fā)現(xiàn)AlN 為六方結(jié)構(gòu)，NbN 為面心立方結(jié)構(gòu)，界面處呈共格狀態(tài)，其共格關(guān)系為c-NbN（111）面平行于h-AlN（0002）面，生長，如圖2所示，并通過熱力學計算表明AlN/NbN 多層膜中不論AlN 層與NbN 層的厚度如何，AlN 層均不會形成亞穩(wěn)的立方 AlN，而是形成自身的平衡六方結(jié)構(gòu)，與NbN 形成異結(jié)構(gòu)外延。Liu N等［54］采用磁控濺射系統(tǒng)，在恒定調(diào)制周期為10 nm的條件下，實現(xiàn)了不同調(diào)制比的NbN/NbB2多層膜的可控生長。發(fā)現(xiàn)在調(diào)制比為1∶4時，多層膜出現(xiàn)了超硬效應(yīng)，并用第一性原理研究了NbB2（001）織構(gòu)的優(yōu)先生長，計算結(jié)果（001）面成為NbN/NbB2多層膜的首選取向，在超硬效應(yīng)的形成中起著重要作用。

圖2 AlN/NbN 納米多層膜 HRTEM 像 ［53］Fig.2 HRTEM images of AlN/NbN multilayers ［53］

3.2 NbN基多層膜摩擦磨損性能研究

Purandare Y P等［55-56］采用高功率脈沖磁控濺射技術(shù)沉積CrN/NbN多層薄膜，研究發(fā)現(xiàn)CrN/NbN薄膜具有高附著力、致密的柱狀結(jié)構(gòu)、優(yōu)越的納米級多層結(jié)構(gòu)的固有硬度和韌性，高溫蒸汽環(huán)境中形成了Cr2O3/NbO保護層，使得多層膜具有很好的抗氧化作用，同時氧化保護層有效堵塞涂層空隙，以及CrN/NbN納米層間界面的屏障性而阻礙元素在涂層中的傳輸，使得多層膜獲得了優(yōu)異的摩擦腐蝕性能。Wang T等［57］采用非平衡磁控濺射技術(shù)制備了不同MoN層厚度的NbN/MoN多層膜，研究發(fā)現(xiàn)MoN層厚度為1.0 nm的NbN/MoN多層膜的超硬度為40.0 GPa，MoN層厚度的增加會導致涂層硬度的降低。與NbN單層涂層相比，NbN/MoN多層涂層具有更低的摩擦系數(shù)和更好的耐磨性。Zhang E G等［58］采用磁控濺射技術(shù)沉積了NbN/MoS2納米多層膜，隨著MoS2層厚度的增加，NbN相結(jié)晶度先提高后降低，硬度和彈性模量先增大后減小。當MoS2層厚度為0.8 nm時，六方結(jié)構(gòu)的MoS2層在NbN層的模板效應(yīng)下轉(zhuǎn)變?yōu)锽1-NaCl結(jié)構(gòu)，并隨NbN層外延生長，硬度和彈性模量增強。MoS2納米層的插入，涂層也可以獲得良好的潤滑性能，是多層膜擁有低摩擦系數(shù)的原因。Varghese V等［59］采用物理氣相沉積法研究了TiAlN/NbN涂層在不銹鋼端面銑削過程中的刀具磨損性能，發(fā)現(xiàn)TiAlN/NbN涂層具有良好的沉積性能，在干端銑削實驗過程中，涂層的微削和剝落是主要磨損機理。

3.3 NbN基多層膜生物相容性研究

Hovsepian P E等［60-61］采用高功率脈沖磁控濺射-非平衡磁控濺射混合工藝沉積了TiN/NbN涂層，表現(xiàn)出良好的生物相容性和電化學穩(wěn)定性的同時，還具有高韌性，并在醫(yī)用級CoCrMo合金上附著力極高，是很好的醫(yī)用植入材料。Huang W等［62］采用物理蒸汽沉積技術(shù)研究了CrN/NbN薄層涂層對304不銹鋼生物相容性、力學、摩擦學和腐蝕性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)人細胞在沉積CrN/NbN薄膜的304樣品表面具有良好的附著和增殖能力，具有良好的生物相容性和耐腐蝕性能。Hovsepian P E等［63］報道了一種新型CrN/NbN薄膜，由于應(yīng)用了超晶格結(jié)構(gòu)概念，用于關(guān)節(jié)置換，獲得了極高的機械性能參數(shù)。在生物環(huán)境中，在體外進行的細胞毒性、遺傳毒性和敏化試驗表明，該薄膜沒有出現(xiàn)不良反應(yīng)，是一種安全可靠的改性材料。

通過設(shè)計陶瓷/NbN多層薄膜體系，納米級薄膜交替生長，超硬效應(yīng)的出現(xiàn)也大幅度提升了薄膜的硬度，提高了薄膜的韌性。交替沉積多層化后，薄膜結(jié)構(gòu)更加致密，也提升了薄膜的摩擦磨損性能，使得NbN基薄膜不僅可以應(yīng)用在刀具涂層上，還可以應(yīng)用到醫(yī)療器件表面改性等領(lǐng)域，擴大了應(yīng)用范圍。

4 展 望

NbN基復合薄膜及多層薄膜優(yōu)異的力學性能、抗氧化性能、摩擦磨損和耐腐蝕性能，使其成為材料表面性能改善的重要途徑之一。近些年來，研究者們通過摻雜元素實現(xiàn)復合以及設(shè)計不同多層結(jié)構(gòu)可顯著提升NbN基薄膜的性能。然而，高端制造的發(fā)展要求、服役應(yīng)用工況的復雜多變性、服役環(huán)境的苛刻性和服役工況的穩(wěn)定性等要求越來越高， NbN基硬質(zhì)薄膜將繼續(xù)朝著復合化、納米多層化及超晶格等方向發(fā)展，其制備技術(shù)也將更加多元化。此外，目前針對NbN基復合薄膜的結(jié)構(gòu)與性能研究的較為廣泛，而對NbN基的多層薄膜的研究主要集中在超硬效應(yīng)和力學性能方面，且研究的體系也較少，未來應(yīng)進一步擴大多層體系的探索及多層薄膜的耐腐蝕和耐摩擦性能的研究，從而進一步提高NbN基多層薄膜耐腐蝕和耐磨性能。未來，隨著NbN基薄膜種類的增加及綜合性能的不斷提升，其應(yīng)用范圍也將更加多元化，并有著廣泛的應(yīng)用場景。