剃须刀片刃口上镀类金刚石膜的实验研究

论文摘要

类金刚石膜（DLC）具有许多优异的性能,包括高硬度、高耐磨性、低摩擦系数、热稳定性、红外透光性、高电阻、低介电常数、高疏水性以及生物相容性,使其适合许多领域的应用,因此引起了人们极大兴趣。本文利用类金刚石膜的高硬度、高耐磨性以及低摩擦系数特性,在6Crl3不锈钢剃须刀片刃口上沉积类金刚石膜,从而达到剃刮舒服、寿命更长的目的。本文采用射频等离子体增强化学气相沉积（rf-PECVD）技术,以CH4、H2为气源,Ar为工作气体,在6Cr13不锈钢剃须刀片刃口上沉积类金刚石膜。研究了通过改变不同工艺参数来制备DLC膜,重点研究薄膜的结构、性能与入射功率之间的关系。对所制备的薄膜采用拉曼光谱（Raman）、X射线衍射（XRD）等研究手段进行结构、成分分析；采用扫描电镜（SEM）对薄膜的表面形貌进行观察；利用纳米显微硬度计和摩擦磨损实验机对薄膜的机械和摩擦学特性进行研究；利用切割力试验机对刀片刃口进行切割力测试；还对刀片刃口进行剃刮使用寿命测试和耐腐蚀性能测试。研究结果表明,采用射频等离子体增强化学气相沉积方法,可以在6Cr13不锈钢剃须刀片刃口上沉积出一定厚度的DLC膜。但是由于薄膜与基材之间存在较大的内应力,薄膜牢度较小,极易剥落,且不耐磨。应用磁控溅射技术在6Crl3不锈钢刀片刃口上预先制备Cr过渡层,然后再利用射频等离子体增强化学气相沉积方法,在过渡层上成功地制备了类金刚石膜。XRD检测表明刀片刃口上所沉积的薄膜为非晶态；拉曼光谱、纳米压痕仪及切割力测试表明,刀片上所沉积的薄膜具有典型的类金刚石特征,随着入射功率的增加,薄膜中sp3含量先升高后降低,硬度也是先增大后减小,并在100W时达到最大；扫描电镜表明,刀片表面生长出类金刚石膜；通过摩擦磨损实验发现,沉积有DLC膜的刀片比未沉积的平均摩擦系数要低；通过寿命测试和耐腐蚀性测试表明,刃口沉积有类金刚石膜的剃须刀片比原刃口镀铬的刀片使用寿命提高了近3倍,耐腐蚀性能也有较大提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 剃须刀片简介
• 1.2 课题来源与目的
• 1.3 类金刚石膜研究背景及意义
• 1.4 类金刚石膜的结构与分类
• 1.5 类金刚石膜的性能及应用
• 1.5.1 类金刚石膜的性能
• 1.5.2 类金刚石膜的应用
• 1.5.3 应用中的问题
• 1.6 类金刚石膜的制备方法
• 1.6.1 物理气相沉积（PVD）
• 1.6.2 化学气相沉积（CVD）
• 1.7 类金刚石膜的表征
• 1.8 类金刚石膜过渡层
• 1.9 类金刚石膜生长机理模型
• 1.10 本论文的主要研究内容、方法与意义
• 第二章 沉积类金刚石膜的实验设备与工艺
• 2.1 实验方案
• 2.2 rf-PECVD法简介
• 2.3 rf-PECVD法制备DLC膜的沉积机理
• 4等离子体的产生'>2.3.1 射频CH₄等离子体的产生
• 2.3.2 等离子体与表面反应过程
• 2.4 实验材料的选择
• 2.5 实验操作的特殊要求
• 2.6 实验前基片的预处理
• 2.7 制备Cr过渡层的实验装置与实验步骤
• 2.7.1 实验装置
• 2.7.2 制备Cr过渡层的实验步骤
• 2.8 rf-PECVD法沉积DLC膜的实验设备与实验步骤
• 2.8.1 实验设备简介
• 2.8.2 沉积DLC膜的实验步骤
• 2.9 制备类金刚石膜工艺参数的确定
• 2.10 本章小结
• 第三章 DLC膜的结构及形貌分析
• 3.1 X射线衍射谱（XRD）
• 3.1.1 XRD原理
• 3.1.2 实验结果与讨论
• 3.2 拉曼光谱（Raman）
• 3.2.1 Raman光谱原理
• 3.2.2 实验结果与讨论
• 3.3 扫描电镜分析（SEM）
• 3.3.1 SEM扫描设备及原理简介
• 3.3.2 实验结果与讨论
• 3.4 本章小结
• 第四章 DLC膜的性能测试与分析
• 4.1 纳米硬度分析
• 4.1.1 纳米硬度测试基本原理
• 4.1.2 实验结果与讨论
• 4.2 摩擦磨损测试
• 4.2.1 摩擦系数分析
• 4.2.2 实验结果与讨论
• 4.3 切割力测试
• 4.4 使用寿命测试
• 4.5 耐腐蚀性测试
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论与建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 参考文献
• 致谢