CVD金刚石涂层用于海洋密封材料的制备与应用

发布时间：2017-10-12 10:40

  本文关键词：CVD金刚石涂层用于海洋密封材料的制备与应用

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【摘要】：化学气相沉积(Chemical vapor deposition,CVD)金刚石薄膜有着优异特性,例如高硬度、弹性模量大、耐磨性强以及稳定的表面化学性等等,是目前研究较为热门的材料之一。目前金刚石薄膜被广泛应用在切屑刀具、微机电系统(MEMS)、密封材料、表面声波器件、生物医学应用等领域。本研究利用直流辉光放电等离子体CVD装置,在硅和碳化硅衬底材料,对CVD纳米金刚石薄膜、微米金刚石膜和纳米/微米(NCD/MCD)复合薄膜的生长工艺和金刚石膜制备、摩擦性能试验及其静密封性能进行研究。探究甲烷浓度、沉积温度、氩气含量等对金刚石生长的影响。采用扫描电镜、拉曼光谱仪、原子力显微镜、透射电镜对薄膜的表面形貌、结构成分进行表征。主要工作如下:1、研究了甲烷浓度对金刚石膜表面形貌的影响,结果表明甲烷浓度从1%,~9%,沉积的金刚石表面形貌发生变化。随着甲烷浓度的增加,晶粒尺寸也是先增大再逐渐减小为纳米级。2、研究了沉积温度对金刚石膜表面形貌的影响,结果表明当金刚石膜的生长温度700℃时,金刚石薄膜表面呈现菜花状的纳米金刚石结构;当温度上升到800℃时,金刚石膜表面以方块状晶粒形状为主;随着温度的继续上升到900~1000℃时,金刚石膜表面则出现棱角分明的晶型;当温度继续上升到1100℃,金刚石膜表面晶型已不规整。3、氩气的引入对等离子体球形体和沉积薄膜产生影响。当Ar含量占H2比1%-5%时,等离子体球能保持稳定;当氩气含量占H2超过20%时,等离子体球消失。氩气的加入会使微米金刚石膜晶粒产生缺陷,增强纳米金刚石膜的金刚石二次形核。4、系统研究了三种不同结构的金刚石膜的机械性能,本实验结果表明:微米金刚石膜的薄膜结合力很高,但它较大的晶粒和粗糙的表面也导致了微米金刚石膜摩擦系高。纳米金刚石膜晶粒小,薄膜表面光滑摩擦系数低。但由于薄膜中存在大量晶界和非晶相,导致其薄膜结合力非常差,无法用于实际工作。只有微米/纳米结构的金刚石膜既有着光滑的表面较低的摩擦系数,又有着很高的薄膜结合力强度,并且能够满足器件密封性能的要求。
【关键词】：CVD 金刚石 结合力 摩擦 密封性能
【学位授予单位】：武汉工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ163;TB383.2
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-24
• 1.1 课题背景12-13
• 1.2 金刚石材料的概述13-14
• 1.3 金刚石材料的结构14
• 1.4 金刚石的特殊性能14-17
• 1.5 CVD金刚石膜生长机理17-19
• 1.6 CVD金刚石膜的生长模式19-20
• 1.7 金刚石薄膜的制备方法20-22
• 1.8 本课题研究目的和意义22-24
• 第二章 实验装置及表征24-36
• 2.1 直流辉光等离子体CVD装置24-25
• 2.2 直流辉光放电等离子体的特性25-28
• 2.3 放电电流与气压的关系28
• 2.4 金刚石膜的表征28-34
• 2.4.1 金刚石膜的拉曼光谱 (Raman Spectroscopy)28-29
• 2.4.2 扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy，SEM）29
• 2.4.3 透射电镜(Transmission Electron Microscope, TEM)29-30
• 2.4.4 原子力显微镜和表面轮廓仪30-31
• 2.4.5 微米划痕仪和摩擦磨损试验机31-34
• 2.5 本章小结34-36
• 第三章 金刚石膜制备研究36-50
• 3.1 预处理对金刚石膜表面形核的影响36-39
• 3.2 甲烷流量对金刚石膜表面形貌的影响39-41
• 3.3 沉积温度对金刚石膜形貌的影响41-42
• 3.4 金刚石膜生长速率的影响因素42-44
• 3.4.1 碳源浓度的影响42-43
• 3.4.2 生长温度的影响43-44
• 3.5 氩气掺杂的影响44-47
• 3.5.1 氩气对等离子体的影响44-45
• 3.5.2 氩气对金刚石膜生长的影响45-47
• 3.6. 本章小结47-50
• 第四章 SiC密封材料表面涂层的制备50-60
• 4.1 金刚石膜的表面形貌和结构50-54
• 4.2 AFM测试金刚石膜表面形貌与粗糙度54-56
• 4.3 纳米金刚石膜的透射电镜测试56-58
• 4.4 本章小结58-60
• 第五章 金刚石膜涂层的性能测试60-70
• 5.1 金刚石膜的摩擦学性能61-64
• 5.2 金刚石膜涂层的结合力强度64-66
• 5.3 金刚石膜涂层的静压密封测试66-68
• 5.4 本章小结68-70
• 第六章 全文总结与展望70-74
• 6.1 全文总结70-71
• 6.2 展望71-74
• 参考文献74-82
• 攻读硕士期间已发表的论文82-84
• 致谢84

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