B及W掺杂DLC薄膜在人工海水中磨蚀性能的研究
发布时间：2020-11-08 10:52
类金刚石薄膜(DLC)由于具有化学惰性,高硬度,较低的摩擦系数和耐磨损等优点而被广泛用作固体润滑防护涂层。然而,当DLC薄膜被直接应用于海洋装备中的摩擦构件表面时,由于受到机械摩擦与海水腐蚀的交互作用,DLC薄膜往往过早失去防护效果,因此有必要对其结构与性能进行改性以提高使用寿命。在DLC薄膜中掺杂金属或非金属元素是一种能有效提高膜基结合强度并改善薄膜磨蚀性能的方法。通过文献调查发现,有关硼(B)掺杂及钨(W)掺杂DLC薄膜在海洋环境中磨蚀性能的研究相对较少,特别是有关B及W含量对DLC薄膜结构、力学性能及在海水环境下摩擦学性能的研究仍需要做大量工作。基于此,本论文利用非平衡磁控溅射技术,通过控制靶材电流,在304不锈钢表面沉积了两种不同硼含量的DLC薄膜(B含量分别为7.23%、13.27%)和三种不同W含量的DLC薄膜(W含量分别为0.94%、3.12%、15.11%),采用扫描电子显微镜(SEM)、扫描探针显微镜(SPM)、拉曼光谱仪、划痕仪、纳米压痕仪、摩擦磨损实验机对两类掺杂DLC薄膜的表面形貌、化学成分、显微结构、结合力、纳米硬度及干摩擦性能进行了测试研究,并采用一系列电化学方法研究了B及W元素含量对DLC薄膜腐蚀以及磨蚀性能的影响,以期为DLC薄膜在海洋环境中的实际应用提供一些理论依据。研究结果表明:(1)适量(7.23 at.%)的B元素的掺杂能够降低DLC薄膜的表面粗糙度,使DLC薄膜的表面更加致密,并且在硬度和弹性模量未明显降低的前提下,能够降低薄膜内应力,显著提高薄膜与基底间的结合力。(2)在干摩擦条件下,B元素的掺杂能够明显降低DLC薄膜的摩擦系数,缩短磨合期。同样,在海水环境下,掺杂适量(7.23 at.%)的B元素有助于提升DLC薄膜的抗腐蚀性能,并且大幅提高了DLC薄膜的磨蚀性能,与不掺杂的DLC薄膜相比,摩擦系数降低了10.7%,磨损量降低了37.0%。(3)随着WC靶电流增大,DLC薄膜中的W含量逐渐升高,薄膜表面微凸体发生聚合,并且薄膜中的sp~2键合碳及WC_(1-X)相均增多,在薄膜内部形成了WC_(1-X)纳米晶与非晶DLC的复合结构,其中,0.94 at.%的W掺杂DLC薄膜具有最低的残余应力,可明显增大DLC薄膜的韧性。(4)干摩擦条件下,随着W含量的升高,DLC薄膜的摩擦系数波动变大,平均摩擦系数逐渐增大,但磨损率随着W含量的升高出现先降低后升高的趋势,W含量为0.94 at.%的DLC薄膜抗磨性能最好。同样,在海水环境下,W含量为0.94 at.%的DLC薄膜也具有最佳的耐磨蚀性能,这主要是因为适量W的掺杂导致DLC表面致密度增加,内部缺陷减少,从而有效阻滞了腐蚀性介质通过薄膜微孔隙向基底的渗透。
【学位单位】：青岛理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB383.2
【部分图文】：
图 1-1 腐蚀与各种磨损形式之间可能存在的相互作用Fig.1-1 Possible interactions between corrosion and various wear forms在磨蚀过程中，可以通过公式 1-1 计算出不同极化电位下的总磨损量 VT，VT=Vc+Vm+Vmc+Vcm（1-1）其中，Vc— 纯电化学腐蚀；Vm— 纯机械磨损；Vmc— 磨损引起的腐蚀；Vcm—腐蚀引起的磨损。摩擦腐蚀实验后磨损的总体积 VT由表面轮廓仪测定。通过施加阴极电位消除腐蚀影响的方法测定了纯机械磨损 Vm，同时采用了法拉第方程（1-2）计算了磨损对腐蚀的促进量 Vmc：V= QM /nFρ （1-2）
图 1-2 DLC 薄膜的三元相图[15][16]Fig.1-2 Ternary phase diagram of DLC film非晶碳膜的研究首先发表于上个世纪 50 年代，20 年以后，世界研究活动开始增多[17]。类金刚石碳基薄膜主要是由 sp3杂化碳子相互杂混的三维碳基网络构成，通常为非晶态或非晶-纳米晶内是否含有氢元素，一般可以分为含氢碳膜(a-C:H, ta-C:H) 和不)。类金刚石碳（DLC）涂层具有低摩擦系数，高硬度和耐磨性的生物相容性，IR 光谱范围内的光学透明性和低电导率等特性合使其在航空航天、机械、电子、光学、装饰外观保护、生物有广阔的应用前景[18-20]。DLC 薄膜的特性和质量与其结构(例如合比)具有直接的关联[21-23]。由于 DLC 具有无定形性质，通过掺[24-29]
青 岛 理 工 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文分析样品的内部晶体结构。从图 2-2 显示的碳化硼靶材样品 SEM 形，国材科技生产的碳化硼靶材表面结构疏松，并且晶粒粗大，而利靶材表面结构密实。从表 2-2 通过 EDS 测量得到的碳化硼靶材元素以看出，国材科技与利承创欣生产的碳化硼含量分别为 91.11 wt.％并且国材科技提供的样品中杂质元素种类多、含量高。从图 2-3 碳 XRD 检测结果可以看到，两公司生产的碳化硼均有明显的碳化硼特本没有其他杂相，利承创欣生产碳化硼的衍射峰相对强度远高于国，说明利承创欣生产的碳化硼结晶性更好。综合以上分析，我们选司生产的碳化硼靶材作为 DLC 薄膜中 B 元素的来源。
【参考文献】
本文编号：2874682
【学位单位】：青岛理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB383.2
【部分图文】：
图 1-1 腐蚀与各种磨损形式之间可能存在的相互作用Fig.1-1 Possible interactions between corrosion and various wear forms在磨蚀过程中，可以通过公式 1-1 计算出不同极化电位下的总磨损量 VT，VT=Vc+Vm+Vmc+Vcm（1-1）其中，Vc— 纯电化学腐蚀；Vm— 纯机械磨损；Vmc— 磨损引起的腐蚀；Vcm—腐蚀引起的磨损。摩擦腐蚀实验后磨损的总体积 VT由表面轮廓仪测定。通过施加阴极电位消除腐蚀影响的方法测定了纯机械磨损 Vm，同时采用了法拉第方程（1-2）计算了磨损对腐蚀的促进量 Vmc：V= QM /nFρ （1-2）
图 1-2 DLC 薄膜的三元相图[15][16]Fig.1-2 Ternary phase diagram of DLC film非晶碳膜的研究首先发表于上个世纪 50 年代，20 年以后，世界研究活动开始增多[17]。类金刚石碳基薄膜主要是由 sp3杂化碳子相互杂混的三维碳基网络构成，通常为非晶态或非晶-纳米晶内是否含有氢元素，一般可以分为含氢碳膜(a-C:H, ta-C:H) 和不)。类金刚石碳（DLC）涂层具有低摩擦系数，高硬度和耐磨性的生物相容性，IR 光谱范围内的光学透明性和低电导率等特性合使其在航空航天、机械、电子、光学、装饰外观保护、生物有广阔的应用前景[18-20]。DLC 薄膜的特性和质量与其结构(例如合比)具有直接的关联[21-23]。由于 DLC 具有无定形性质，通过掺[24-29]
青 岛 理 工 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文分析样品的内部晶体结构。从图 2-2 显示的碳化硼靶材样品 SEM 形，国材科技生产的碳化硼靶材表面结构疏松，并且晶粒粗大，而利靶材表面结构密实。从表 2-2 通过 EDS 测量得到的碳化硼靶材元素以看出，国材科技与利承创欣生产的碳化硼含量分别为 91.11 wt.％并且国材科技提供的样品中杂质元素种类多、含量高。从图 2-3 碳 XRD 检测结果可以看到，两公司生产的碳化硼均有明显的碳化硼特本没有其他杂相，利承创欣生产碳化硼的衍射峰相对强度远高于国，说明利承创欣生产的碳化硼结晶性更好。综合以上分析，我们选司生产的碳化硼靶材作为 DLC 薄膜中 B 元素的来源。
【参考文献】
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本文编号：2874682
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