低温气相沉积薄膜及其摩擦学性能研究

论文摘要

工艺性能良好、摩擦学特性满足工程应用实际需求的低温气相沉积工艺的研究，为低温回火材料及聚合物等温度敏感材料零部件的表面改性提供了一种新的和有效的技术解决方案，对于开发无污染环保型表面改性处理技术意义重大。论文针对低温回火材料及聚合物材料本身不耐磨，要求处理温度低的特点，成功地开发出采用低温磁控溅射技术在140℃以下沉积性能优良的TiN薄膜的技术，推导出了磁控溅射的基体温度计算模型；采用碳离子束注入辅助蒸发矿物油的方法在120℃低温沉积了DLC薄膜；同时在低温磁控溅射物理气相沉积技术的基础上，联合磁控溅射、化学镀及电镀技术制备出用于聚合物零部件表面金属铠装处理的低温Cu／Cu／Ni复合薄膜，并研制出适合全方位沉积薄膜的专用旋转磁控溅射镀膜装置。 研究表明，磁控溅射薄膜沉积过程中，离子刻蚀、负偏压、溅射靶的磁场性能、氮气流量、中间过渡层、基体表面粗糙度、离子刻蚀、基体硬度等工艺参数明显影响着基体温度、薄膜表面形貌、硬度、色泽、结合强度以及摩擦学性能。合理科学地控制工艺参数，可以在降低处理温度的同时，使TiN薄膜的摩擦学性能得到改善。 经过能谱分析、纳米硬度测定、摩擦学试验验证，本文所开发的低温磁控溅射技术沉积的低温TiN薄膜具有典型的TiN特征，比常规方法制备的TiN薄膜摩擦学性能优越，是适用于低回火温度材料的理想的摩擦学涂层。 研究发现，影响磁控溅射基体温度的主要外部因素为离子轰击、溅射粒子的能量以及基体向外的热对流，根据本文的磁控溅射基体温度计算模型计算的结果与实测结果吻合较好，为实际应用中预测磁控溅射条件下基体的温度、确定溅射沉积工艺参数提供依据。 试验证明，碳离子束注入辅助蒸发矿物油所沉积的薄膜为典型的含氢DLC薄膜，摩擦学性能优良，润滑条件下与UHMWPE配副时，摩擦副的摩擦学性能受到对偶表面粗糙度、润湿性的影响，总体摩擦系数较低、耐磨损性能良好，摩擦表面光滑，是一种性能优良的、适用于机械零部件表面改性的低温DLC薄膜沉积技术。 所开发的Cu／Cu／Ni低温复合薄膜技术实现了环氧树脂基聚合物零部件表面的低温金

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 低温气相沉积方法
• 1.2.1 磁控溅射低温沉积
• 1.2.2 离子束注入辅助蒸发低温沉积
• 1.3 低温气相沉积技术的研究动态
• 1.4 基体温度对气相沉积薄膜结构和性能的影响
• 1.4.1 基体温度对气相沉积薄膜结构的影响
• 1.4.2 基体温度对气相沉积薄膜性能的影响
• 1.5 聚合物低温气相沉积问题
• 1.6 本论文的研究内容
• 第2章 低温磁控溅射TiN薄膜沉积工艺研究
• 2.1 磁控溅射工艺参数对 TiN薄膜性能的影响
• 2.2 磁控溅射低温沉积工艺
• 2.2.1 试验基体材料
• 2.2.2 试验装置
• 2.2.3 基本工艺设计
• 2.3 工艺参数对低温磁控溅射薄膜基体温度的影响
• 2.3.1 离子刻蚀对基体温度的影响
• 2.3.2 负偏压对基体温度的影响
• 2.3.3 磁控溅射靶的磁场性能对基体温度的影响
• 2.4 工艺参数对低温磁控溅射薄膜表面形貌的影响
• 2.4.1 低温磁控溅射 TiN薄膜的表面形貌
• 2.4.2 负偏压对薄膜表面形貌的影响
• 2.4.3 基体表面加工状态（粗糙度）对薄膜表面形貌的影响
• 2.4.4 离子刻蚀对薄膜表面形貌的影响
• 2.5 工艺参数对低温磁控溅射薄膜硬度的影响
• 2.5.1 低温磁控溅射 TiN薄膜的纳米硬度
• 2.5.2 负偏压对薄膜硬度的影响
• 2.5.3 中间过渡层对薄膜硬度的影响
• 2.6 工艺参数对低温磁控溅射薄膜色泽的影响
• 2.7 工艺参数对低温磁控溅射薄膜界面结合强度的影响
• 2.7.1 基体粗糙度对薄膜结合强度的影响
• 2.7.2 负偏压对薄膜结合强度的影响
• 2.7.3 中间过渡层对薄膜结合强度的影响
• 2.7.4 基体材料硬度对薄膜结合强度的影响
• 2.7.5 离子刻蚀对薄膜结合强度的影响
• 2.8 磁控溅射的低温沉积计算模型
• 2.8.1 导致基体温度上升的主要因素
• 2.8.2 导致基体温度下降的主要因素
• 2.8.3 磁控溅射条件下的基体温度计算
• 2.9 本章小结
• 第3章 低温磁控溅射 TiN薄膜摩擦学性能研究
• 3.1 试验方法
• 3.2 低温磁控溅射 TiN薄膜对基体耐磨性能的提高
• 3.3 低温磁控溅射与多弧离子镀 TiN薄膜的摩擦学性能比较
• 3.4 负偏压对 TiN薄膜摩擦学性能的影响
• 3.5 基体粗糙度对 TiN薄膜摩擦学性能的影响
• 3.6 离子刻蚀对 TiN薄膜摩擦学性能的影响
• 3.7 薄膜多层结构对薄膜摩擦学性能的影响
• 3.8 本章小结
• 第4章 碳离子束注入辅助蒸发沉积 DLC薄膜工艺研究
• 4.1 碳离子束注入辅助蒸发低温沉积工艺
• 4.1.1 试验样品
• 4.1.2 DLC薄膜沉积装置
• 4.1.3 DLC薄膜的低温沉积工艺
• 4.2 试验结果与讨论
• 4.2.1 表面形貌分析
• 4.2.2 表面成分分析
• 4.2.3 薄膜的结构分析
• 4.2.4 电阻率测量
• 4.2.5 表面硬度及弹性模量测试
• 4.3 本章小结
• 第5章 碳离子束注入辅助蒸发沉积 DLC薄膜的摩擦学性能研究
• 5.1 弹簧钢基体表面沉积 DLC薄膜的摩擦学性能研究
• 5.1.1 摩擦学性能测试条件
• 5.1.2 摩擦学性能测试结果
• 5.1.3 磨损表面形貌分析
• 5.2 Ti6Al4V基体表面沉积 DLC薄膜的摩擦学性能研究
• 5.2.1 微摩擦试验条件
• 5.2.2 微摩擦性能测试结果
• 5.2.3 磨损表面形貌分析
• 5.2.4 对偶件表面粗糙度对 DLC薄膜摩擦学性能的影响
• 5.2.5 对偶件表面润湿性对 DLC薄膜摩擦学性能的影响
• 5.3 本章小结
• 第6章 聚合物表面低温沉积工艺研究
• 6.1 环氧树脂基聚合物表面低温复合薄膜工艺研究
• 6.1.1 聚合物基体预处理工艺
• 6.1.2 低温磁控溅射镀铜工艺
• 6.1.3 电镀沉积低应力镍后处理工艺
• 6.2 低温复合薄膜的表面形貌观察
• 6.3 低温复合薄膜的摩擦学性能测试
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 全文主要结论
• 7.2 对今后工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 附录A 攻读博士期间发表的论文
• 附录B 攻读博士期间参加的科研项目
• 附录C 攻读博士期间获奖的科研项目