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非氢类金刚石和非氢掺Si类金刚石碳膜的制备及性能研究

作　者: 张贺勇
导　师: 曾德长；代明江
学　校: 华南理工大学
专　业: 材料工程
关键词: 磁控溅射 非氢类金刚石 掺Si非氢类金刚石 摩擦学性能
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


适量Si掺杂的类金刚石碳膜,其摩擦系数不受环境湿度的影响,但是目前Si的掺入通常是由含Si的气体引入的,这样不但降低了薄膜的强度,对环境也有一定的污染,因此本文先采用非平衡磁控溅射法以石墨靶制备了非氢类金刚石碳膜,然后采用优化工艺通过溅射石墨靶与SiC靶的方法制备了掺Si的非氢类金刚石碳膜。利用X射线光电子能谱仪(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、Raman光谱仪对膜层成分、结构进行分析,采用努氏显微硬度计、纳米硬度计、划痕仪、摩擦磨损实验机评价薄膜的力学性能与摩擦学性能。研究结果如下:随着沉积气压的升高,类金刚石碳膜中sp~3键的相对含量减少,膜/基结合力略微增大,纳米硬度和弹性模量逐渐减小,摩擦系数减小;随着基体负偏压的增加,薄膜中sp~3键的相对含量增加,膜/基结合力减小,纳米硬度和弹性模量逐渐增大,摩擦系数先增大后减小。滑动线速度对薄膜的摩擦系数影响较小,而法向载荷和环境湿度的影响较大,摩擦系数随着法向载荷的增加而减小,湿度较低时薄膜的摩擦系数较大,而湿度升高时薄膜的摩擦系数反而降低。随着SiC靶功率密度的增加,掺Si类金刚石碳膜中sp~3键的相对含量逐渐增加,薄膜的纳米硬度与弹性模量先增加后减小,SiC靶功率密度为1.37W/cm~2时薄膜的硬度与弹性模量最大,但是Si元素的掺入并没有提高薄膜与钢基体的结合力。环境湿度为40%左右时,Si元素的掺入能够将薄膜的摩擦系数从0.277降低至0.066,Si的掺杂量越高,薄膜的摩擦系数越低,但是磨损率越高;环境湿度为70%左右时,Si元素含量对薄膜的摩擦系数影响很小,摩擦系数保持在0.146~0.168之间。SiC靶功率密度为0.07W/cm~2(Si含量为3.61at.%)时,环境湿度对薄膜的摩擦系数影响很小。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章 绪论  10-19
  1.1 引言  10
  1.2 类金刚石碳膜简介  10-11
  1.3 类金刚石碳膜的性质  11-13
    1.3.1 力学与摩擦学性能  12
    1.3.2 光学性能  12-13
    1.3.3 电学性能  13
    1.3.4 耐腐蚀性能  13
  1.4 类金刚石碳膜在使用中面临的问题及解决方法  13-14
  1.5 掺Si类金刚石碳膜的研究现状  14-17
    1.5.1 掺Si对类金刚石碳膜力学性能影响的研究  14-15
    1.5.2 掺Si对类金刚石碳膜摩擦学性能影响的研究  15-16
    1.5.3 掺Si对类金刚石碳膜热稳定性能影响的研究  16
    1.5.4 掺Si对类金刚石碳膜光学性能影响的研究  16-17
    1.5.5 掺Si对类金刚石碳膜生物相容性影响的研究  17
  1.6 研究意义  17-18
  1.7 研究内容  18-19
第二章 薄膜的制备与表征方法  19-27
  2.1 薄膜的制备方法  19-21
    2.1.1 实验设备及材料  19
    2.1.2 实验步骤  19-21
  2.2 薄膜的表征方法  21-27
    2.2.1 薄膜厚度测量  21
    2.2.2 扫面电子显微镜（SEM）分析  21
    2.2.3 金相显微镜分析  21-22
    2.2.4 Raman光谱分析  22
    2.2.5 能谱（EDS）分析  22
    2.2.6 X射线光电子能谱（XPS）分析  22
    2.2.7 薄膜力学性能测试  22-26
    2.2.8 薄膜摩擦学性能测试  26-27
第三章 非氢类金刚石碳膜的制备与表征  27-48
  3.1 典型类金刚石碳膜样品的XPS分析  27-29
  3.2 沉积工艺对类金刚石碳膜结构的影响  29-34
    3.2.1 沉积气压对类金刚石碳膜结构的影响  29-32
    3.2.2 基体负偏压对类金刚石碳膜结构的影响  32-34
  3.3 沉积工艺对类金刚石碳膜厚度的影响  34-35
    3.3.1 沉积气压对类金刚石碳膜厚度的影响  34
    3.3.2 基体负偏压对类金刚石碳膜厚度的影响  34-35
  3.4 沉积工艺对类金刚石碳膜力学性能的影响  35-41
    3.4.1 沉积工艺对类金刚石碳膜膜/基结合力的影响  35-38
    3.4.2 沉积工艺对类金刚石碳膜硬度和弹性模量的影响  38-41
  3.5 沉积工艺对类金刚石碳膜摩擦学性能的影响  41-43
    3.5.1 沉积气压对类金刚石碳膜摩擦学性能的影响  41-42
    3.5.2 基体脉冲偏压对类金刚石碳膜摩擦学性能的影响  42-43
  3.6 测试条件对非氢类金刚石碳膜摩擦学性能的影响  43-47
    3.6.1 不同滑动速度条件下非氢类金刚石碳膜的摩擦学性能  44
    3.6.2 不同载荷条件下非氢类金刚石碳膜的摩擦学性能  44-46
    3.6.3 不同环境湿度条件下非氢类金刚石碳膜的摩擦学性能  46-47
  3.7 本章小结  47-48
第四章 非氢掺Si类金刚石碳膜的制备与表征  48-64
  4.1 掺Si类金刚石碳膜成分分析  48-51
    4.1.1 掺Si类金刚石碳膜的EDS成分分析  48-49
    4.1.2 典型掺Si类金刚石碳膜样品的XPS分析  49-51
  4.2 SiC靶功率密度对掺Si类金刚石碳膜厚度的影响  51-52
  4.3 SiC靶功率密度对掺Si类金刚石碳膜结构的影响  52-54
  4.4 SiC靶功率密度对掺Si类金刚石碳膜纳米硬度和弹性模量的影响  54-56
  4.5 SiC靶功率密度对掺Si类金刚石碳膜膜/基结合力的影响  56
  4.6 SiC靶功率密度对掺Si类金刚石碳膜摩擦学性能的影响  56-62
    4.6.1 低湿度条件下掺Si类金刚石碳膜的摩擦学性能  56-60
    4.6.2 高湿度条件下掺Si类金刚石碳膜的摩擦学性能  60-61
    4.6.3 最佳Si含量的确定  61-62
  4.7 本章小结  62-64
结论与展望  64-66
参考文献  66-73
攻读硕士学位期间取得的研究成果  73-74
致谢  74-75
附件  75

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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