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激光晶化二氧化钛非晶薄膜组织与性能研究

作　者: 张凯舒
导　师: 王存山
学　校: 大连理工大学
专　业: 材料学
关键词: TiO2薄膜温度场模拟激光晶化组织性能
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

纳米二氧化钛薄膜作为一种功能薄膜不仅具有较高的强度、硬度、耐磨性、耐蚀性和致密性，而且具有光催化、光降解、消毒、杀菌和自清洁等功能。近年来在净化空气、废水处理、自洁净玻璃、光催化杀菌等许多方面得到大量应用。激光晶化作为以激光为热源的一种新型材料加工方法在材料表面纳米晶体制备方面具有广泛的应用。本文应用有限元分析软件MSC．Marc建立了激光晶化过程中热源、样品的有限元模型，用该模型计算出在不同激光参数下样品的温度场分布。以中频孪生非平衡磁控溅射沉积设备制备的非晶二氧化钛薄膜为前驱体，利用激光晶化技术实现从非晶二氧化钛到纳米二氧化钛的相变。将模拟结果同实验得出的数据进行比较分析，系统分析激光工艺参数对薄膜的晶型、晶粒及性能的影响。温度场模拟得出如下结论：样品表面温度同激光功率、扫描速度和光斑大小间存在近线性的关系。样品表面温度随激光功率的增加而线性升高；随扫描速度增大而降低；随光斑半径的增大而降低。激光热源在样品上形成了水滴状加热区域，并得到了相应的温度场分布情况。单道扫描激光晶化结果表明：仅降低扫描速度时，随扫描速度降低二氧化钛晶型由锐钛矿转变为锐钛矿和金红石的混晶结构，金红石的含量逐渐增大，且薄膜晶粒的平均粒径逐渐增大；膜基体系的抗载荷能力、硬度和模量随之逐渐增大且均高于原始非晶态薄膜，通过模量曲线可以定性推测二氧化钛薄膜试样具有较好的变形协调性和界面结合强度；薄膜的摩擦系数随之降低，磨痕宽度随之减小，并且晶化后薄膜的耐磨性优于原始非晶态薄膜。分别仅改变离焦量和激光功率时，随离焦量的减小或激光功率的升高其组织与性能变化趋势与仅降低扫描速度时相同。多道搭接激光晶化得到的二氧化钛薄膜的均匀性较好，并且薄膜的抗载荷能力、硬度、弹性模量、减磨性和抗磨性能均优于原始非晶态薄膜。将模拟结果与实验结果对比分析表明：模拟结果与实际实验结果吻合的较好。同时，得出非晶二氧化钛的晶化温度在600℃左右。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
引言  9-10
1 绪论  10-18
  1.1 二氧化钛的晶体结构  10
  1.2 纳米二氧化钛的应用  10-11
    1.2.1 光化学应用  10-11
    1.2.2 污水处理  11
    1.2.3 气体净化  11
    1.2.4 抗菌除臭  11
    1.2.5 在涂料行业的应用  11
  1.3 光催化技术简介  11-12
  1.4 纳米二氧化钛的制备  12-13
    1.4.1 纳米二氧化钛粉体的制备方法  12-13
    1.4.2 纳米二氧化钛薄膜的制备  13
  1.5 磁控溅射简介  13-14
  1.6 激光晶化简介  14-15
  1.7 数值模拟  15-17
    1.7.1 数值模拟的基本方法  15-16
    1.7.2 激光晶化过程的数值模拟  16-17
  1.8 本文主要研究内容  17-18
2 激光晶化二氧化钛非晶薄膜实验材料与方法  18-25
  2.1 基体材料  18-19
  2.2 二氧化钛非晶薄膜的制备  19
  2.3 激光晶化  19-20
  2.4 微观组织分析  20-21
    2.4.1 X射线衍射(XRD)物相分析  20-21
    2.4.2 场发射扫描电镜分析  21
  2.5 性能测试  21-25
    2.5.1 纳米压入测试  21-23
    2.5.2 摩擦磨损测试  23-25
3 激光晶化二氧化钛非晶薄膜温度场数值模拟  25-37
  3.1 传热学基本原理  25-26
  3.2 激光晶化二氧化钛非晶薄膜过程有限元模型的建立  26-31
    3.2.1 单元划分  27-28
    3.2.2 初始条件  28
    3.2.3 边界条件  28-29
    3.2.4 激光热源  29-31
  3.3 激光晶化数值模拟模型的求解及分析  31-32
    3.3.1 模拟单位  31
    3.3.2 时间步长  31
    3.3.3 模拟结果的处理  31-32
  3.4 模拟结果  32-36
  3.5 本章小结  36-37
4 激光工艺参数对二氧化钛非晶薄膜组织和性能的影响  37-67
  4.1 原始非晶态薄膜的组织和性能  37-40
    4.1.1 原始非晶态薄膜的微观组织  37-38
    4.1.2 原始薄膜样品的硬度、抗载荷能力和弹性模量  38-39
    4.1.3 原始薄膜样品的表面摩擦特性  39-40
  4.2 激光功率对二氧化钛薄膜结构及性能的影响  40-49
    4.2.1 激光功率对二氧化钛薄膜显微组织的影响  40-43
    4.2.2 激光功率对二氧化钛薄膜性能的影响  43-49
  4.3 扫描速度对二氧化钛薄膜结构及性能的影响  49-57
    4.3.1 扫描速度对二氧化钛薄膜显微组织的影响  49-51
    4.3.2 扫描速度对二氧化钛薄膜性能的影响  51-57
  4.4 离焦量对二氧化钛薄膜结构及性能的影响  57-62
    4.4.1 离焦量对二氧化钛薄膜显微组织的影响  57-59
    4.4.2 离焦量对二氧化钛薄膜性能的影响  59-62
  4.5 多道搭接激光晶化氧化钛非晶薄膜  62-66
    4.5.1 二氧化钛薄膜的显微结构分析  62-63
    4.5.2 多道搭接激光晶化二氧化钛非晶薄膜性能  63-66
  4.6 本章小结  66-67
结论  67-68
参考文献  68-72
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  72-73
致谢  73-74

激光晶化二氧化钛非晶薄膜组织与性能研究

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