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氮化碳基薄膜制备及其水溶液中的摩擦学特性研究

作　者: 岳宾
导　师: 周飞
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 氮化碳基薄膜 化学键态 表面粗糙度 纳米压痕 水基溶液 摩擦 磨损
分类号: O484.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 22次
引　用: 1次
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内容摘要


采用离子束辅助沉积制备氮化碳基薄膜如BCN、SiCN及a-CNx薄膜,采用红外光谱、拉曼光谱及X-射线光电子能谱表征了薄膜的化学键态、结构及成分,通过纳米压痕仪测试了薄膜的硬度和弹性模量,利用非接触式三维形貌仪测试了薄膜的表面粗糙度,同时,研究了氮化碳基薄膜在水基溶液中的摩擦学特性,并采用三维视频显微镜和光学显微镜表征了对摩球和a-CNx薄膜的磨痕,利用非接触式三维形貌仪观察了a-CNx薄膜磨痕的三维形貌及截面形貌,并测量了a-CNx薄膜的磨痕体积。研究结果表明:氮化碳基薄膜实现了各元素原子之间的结合,BCN(SiCN)薄膜主要化学键为B(Si)–C,B(Si)-N,C–N,C=N和C=C键,而a-CNx薄膜主要由sp3C-N和sp2C=N键构成,此外,氮化碳基薄膜具有较低的表面粗糙度,较高的硬度和弹性模量。当辅源离子束能为200eV(300eV),辅源离子束成分为0.5(0.5)时,N+与溅射靶材充分反应,薄膜生长致密,表面缺陷较少,且sp2含量较少,因而,BCN(SiCN)薄膜表面光滑具有最高的硬度和弹性模量,分别为5.2nm(10.9nm),28.4和228.5GPa(29.0和227.4GPa)。在水润滑条件下,BCN薄膜/Si3N4球实现超滑现象,而SiCN薄膜/Si3N4球具有较低的摩擦因数0.05。另外,a-CNx薄膜的表面粗糙度约为25nm,硬度和弹性模量分别为29和330GPa,在醇基冷却液润滑条件下,a-CNx薄膜/SiC球具有较低的摩擦因数和磨损率。当乙醇(乙二醇)基冷却液浓度为20%(10%)时,摩擦因数最低约为0.025(0.019),磨损率分别在10-6mm3/N·m及10-10mm3/N·m数量级,水基溶液下的摩擦学性能与对摩副材料的摩擦化学反应有关。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-13
第一章 绪论  13-22
  1.1 薄膜技术及薄膜应用  13-15
    1.1.1 薄膜材料制备方法  13-14
    1.1.2 薄膜材料的性质及典型应用  14-15
  1.2 氮化碳基薄膜的特点  15-16
    1.2.1 氮化碳薄膜的特点  15
    1.2.2 硼碳氮薄膜的特点  15-16
    1.2.3 硅碳氮薄膜的特点  16
  1.3 本文的研究背景及主要内容  16-22
    1.3.1 氮化碳基薄膜制备及摩擦学研究现状  17-20
    1.3.2 本文的研究意义  20-21
    1.3.3 本文的主要研究内容  21-22
第二章 试验方法  22-30
  2.1 薄膜的制备方法  22-24
    2.1.1 样品的材料  22
    2.1.2 BCN 和SiCN 薄膜制备  22-23
    2.1.3 a-CN_x 薄膜制备  23-24
  2.2 氮化碳基薄膜表征  24-26
    2.2.1 傅立叶红外光谱(Fourier Transform Infrared Spectrum，FT-IR)  25
    2.2.2 拉曼光谱(Raman Spectrum)  25
    2.2.3 X 射线光电子能谱(X-ray Photoelectron Spectrometer，XPS)  25-26
    2.2.4 表面粗糙度、硬度及弹性模量的表征  26
  2.3 摩擦磨损试验  26-29
    2.3.1 摩擦磨损试验的环境条件及试验参数  26-28
    2.3.2 薄膜磨痕的提交测试及宏观微观形貌分析  28-29
  2.4 本章小结  29-30
第三章 工艺参数对BCN 薄膜机械性能及结构的影响  30-43
  3.1 BCN 薄膜结构表征  30-34
    3.1.1 BCN 薄膜的红外光谱  30-32
    3.1.2 BCN 薄膜的拉曼光谱  32-34
  3.2 BCN 薄膜力学性能表征  34-38
    3.2.1 制备工艺参数对BCN 薄膜硬度和弹性模量的影响  34-37
    3.2.2 制备工艺参数对BCN 薄膜表面粗糙度的影响  37-38
  3.3 BCN 薄膜的XPS 分析  38-39
  3.4 结构与力学性能的关系  39-40
  3.5 BCN 薄膜水润滑性能测试  40-41
  3.6 本章小结  41-43
第四章 工艺参数对SICN 薄膜机械性能及结构的影响  43-55
  4.1 SICN 薄膜结构表征  43-47
    4.1.1 SiCN 薄膜的红外光谱  43-44
    4.1.2 SiCN 薄膜的拉曼光谱  44-47
  4.2 SICN 薄膜力学性能表征  47-50
    4.2.1 制备工艺参数对SiCN 薄膜硬度和弹性模量的影响  47-49
    4.2.2 制备工艺参数对SiCN 薄膜表面粗糙度的影响  49-50
  4.3 SICN 薄膜的XPS 分析  50-51
  4.4 结构与力学性能的关系  51-52
  4.5 SICN 薄膜水润滑性能测试  52-53
  4.6 本章小结  53-55
第五章 非晶氮化碳薄膜在水基溶液中的摩擦学特性研究  55-71
  5.1 非晶氮化碳薄膜的表征  55-57
    5.1.1 非晶氮化碳薄膜的结构及成分表征  55-56
    5.1.2 非晶氮化碳薄膜的机械性能表征  56-57
  5.2 润滑液浓度对A-CN_x薄膜摩擦磨损性能的影响  57-61
    5.2.1 不同浓度冷却液润滑条件下a-CN_x 薄膜摩擦行为  57-59
    5.2.2 对比溶液润滑条件下a-CN_x 薄膜摩擦行为  59-61
  5.3 非晶氮化碳薄膜磨痕的三维形貌及截面形貌  61-66
    5.3.1 乙醇基冷却液润滑下a-CN_x 薄膜的三维形貌及截面形貌  61-62
    5.3.2 乙二醇基冷却液润滑下a-CN_x 薄膜的三维形貌及截面形貌  62-65
    5.3.3 对比溶液润滑下a-CN_x 薄膜的三维形貌及截面形貌  65-66
  5.4 SIC 球与A-CN_x薄膜的磨痕光学照片  66-68
  5.5 讨论  68-69
  5.6 本章小结  69-71
第六章 总结与展望  71-74
  6.1 本文的主要工作及结论  71-72
  6.2 展望  72-74
参考文献  74-79
致谢  79-80
在学期间的研究成果及发表的学术论文  80

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 固体物理学 > 薄膜物理学 > 薄膜的生长、结构和外延
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