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碳基薄膜的制备及摩擦特性的研究

2020-12-02阅读(658)

碳基薄膜的制备及摩擦特性的研究

论文摘要

本文首先采用双离子束溅射沉积系统（DIBSD）制备DLC、CNx和BCN薄膜,研究此系统的工艺条件对DLC、CNx和BCN薄膜的结构和性能的影响。对于制备DLC薄膜,采用双惰性气体IBSD薄膜方式,改变辅源离子束能量,沉积不同参数下的DLC薄膜;对于CNx和BCN薄膜,分别采用双离子束反应溅射沉积DIBRSD薄膜方式和双离子束反应合成方式,通过改变辅源离子束能量和反应气体的混合比,制备了多参数下的薄膜。运用拉曼光谱（Raman）、傅立叶红外光谱（FTIR）和X射线能谱（XPS）分析了膜层的成分组成和键组成;用纳米压痕仪分别测试了不同工艺参数下制备的DLC、CNx和BCN薄膜的纳米硬度;在微摩擦磨损实验机上实现了三种薄膜/氮化硅球在干摩擦下的摩擦磨损实验;用非接触式表面三维形貌仪观察了膜层磨痕三维形貌及截面形貌,测量了膜层磨痕的磨损体积,以磨损体积的测量值计算膜层的磨损率,并把磨损率作为评估膜层抗磨性能的一个指标;最后用光学显微镜观察了膜层磨痕的表面微观形貌。实验结果表明:DLC薄膜的拉曼峰幅随着辅源离子束能量的增加而降低,薄膜显微硬度和弹性模量也随着辅源离子束能量的增加而降低,薄膜最高纳米硬度达19.6GPa,在干摩擦条件下,DLC薄膜的摩擦因数和磨损率都随着辅源离子束能量的先降后增。CNx薄膜的结构主要由N-C（sp2）、N-C（sp3）和C-C这几个键组成,其显微硬度随辅源离子束能量的增加而降低,薄膜最高纳米硬度达22.6GPa。在干摩擦条件下,CNx薄膜的摩擦因数和磨损率都随着辅源离子束能量的先增后降。BCN薄膜的结构主要由N-C、N-B和B-C这几个键组成,其显微硬度随辅源离子束能量的增加而降低,薄膜最高硬度达20.1GPa。在干摩擦条件下,薄膜的摩擦因数在辅源气份为N2:Ar=1:3时较高,而在N2:Ar=1:1时摩擦因数较低,而磨损率随着辅源离子束能量的增加而降低,并且其摩擦因数最低达到0.015。在干摩擦条件下,薄膜摩擦因数和磨损率随着在法向载荷的增加而增大,而随着微动往复频率的增加而减小。在辅源离子束能量为250eV束流密度为50mA时制备的DLC薄膜,辅源束能为100eV辅源反应气体N2:Ar=1:1时制备的CNx薄膜和辅源束能为400eV辅源反应气体为N2:Ar=1:1时制备的BCN薄膜具有较高的硬度并具有良好的摩擦磨损性能。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 薄膜材料与薄膜技术
  • 1.1.1 薄膜的发展简史和发展趋势
  • 1.1.2 薄膜制备技术概述
  • 1.2 碳基薄膜的特性
  • 1.2.1 DLC 薄膜的特性
  • 1.2.2 非晶氮化碳薄膜的特性
  • 1.2.3 硼碳氮薄膜的特性
  • 1.3 本文的研究背景及国内外发展现状
  • 1.3.1 碳基薄膜摩擦学的国内外研究现状
  • 1.3.2 本文的研究意义
  • 1.3.3 本文的主要研究内容
  • 第二章 实验方法
  • 2.1 薄膜的制备方法
  • 2.1.1 样品的材料
  • 2.1.2 碳基薄膜的制备
  • 2.2 薄膜的表征方法
  • 2.2.1 拉曼光谱（Raman Spectrum）
  • 2.2.2 傅立叶红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectrum，FT-IR）
  • 2.2.3 X 射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectrometer，XPS）
  • 2.3 薄膜的机械性能表征
  • 2.3.1 薄膜的纳米硬度的表征
  • 2.3.2 UMT-2 型摩擦磨损试验机简介
  • 2.3.3 摩擦磨损实验的环境条件和实验参数
  • 2.4 薄膜磨痕的提交测试及宏观微观形貌分析
  • 2.4.1 磨痕体积的测量方法
  • 2.4.2 磨痕的微观形貌分析
  • 2.5 本章小结
  • 第三章 DLC 薄膜的性能分析
  • 3.1 DLC 薄膜的结构表征
  • 3.2 DLC 薄膜的机械性能
  • 3.2.1 辅源离子束能量对DLC 薄膜的硬度及弹性模量的影响
  • 3.2.2 辅源离子束能量对DLC 薄膜的摩擦学性能的影响
  • 3.3 DLC 薄膜磨痕的三维形貌及截面形貌
  • 3.4 DLC 薄膜的XPS 图谱分析
  • 3.5 本章小结
  • X薄膜的性能分析'>第四章 CNX薄膜的性能分析
  • X薄膜的机械性能的影响'>4.1 辅源离子束能量对CNX薄膜的机械性能的影响
  • x 薄膜的硬度及弹性模量的影响'>4.1.1 辅源离子束能量对CNx薄膜的硬度及弹性模量的影响
  • x 薄膜的摩擦学性能的影响'>4.1.2 辅源离子束能量对CNx薄膜的摩擦学性能的影响
  • X薄膜的机械性能的影响'>4.2 辅源气份对CNX薄膜的机械性能的影响
  • x 薄膜的硬度及弹性模量的影响'>4.2.1 辅源气份对CNx薄膜的硬度及弹性模量的影响
  • x 薄膜的摩擦学性能的影响'>4.2.2 辅源气份对CNx薄膜的摩擦学性能的影响
  • X薄膜磨痕的三维形貌及截面形貌'>4.3 CNX薄膜磨痕的三维形貌及截面形貌
  • X薄膜的光学显微分析'>4.4 CNX薄膜的光学显微分析
  • X薄膜的XPS 图谱分析'>4.5 CNX薄膜的XPS 图谱分析
  • 4.6 本章小结
  • 第五章 BCN 薄膜的性能分析
  • 5.1 BCN 薄膜的结构表征
  • 5.1.1 BCN 薄膜的拉曼光谱分析
  • 5.1.2 BCN 薄膜的红外光谱分析
  • 5.2 对BCN 薄膜的机械性能的影响
  • 5.2.1 对BCN 薄膜的硬度及弹性模量的影响
  • 5.2.2 对BCN 薄膜的摩擦学性能的影响
  • 5.3 辅源气份对BCN 薄膜的机械性能的影响
  • 5.3.1 辅源气份对BCN 薄膜的硬度及弹性模量的影响
  • 5.3.2 辅源气份对BCN 薄膜的摩擦学性能的影响
  • 5.4 载荷和频率对BCN 薄膜的摩擦学性能的影响
  • 5.4.1 载荷对BCN 薄膜的摩擦性能的影响
  • 5.4.2 频率对BCN 薄膜的摩擦性能的影响
  • 5.5 BCN 薄膜磨痕的三维形貌及截面形貌
  • 5.6 BCN 薄膜的光学显微分析
  • 5.7 BCN 薄膜的XPS 图谱分析
  • 5.8 本章小结
  • X和BCN 薄膜性能的比较'>第六章 DLC，CNX和BCN 薄膜性能的比较
  • 6.1 硬度及弹性模量的比较
  • 6.2 摩擦因数及磨损率的比较
  • 6.3 对沉积薄膜表面粗糙度的影响
  • 6.4 本章小结
  • 第七章 总结与展望
  • 7.1 本文的主要工作及结论
  • 7.2 展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 在校期间的研究成果及发表的学术论文

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