Cr-B-C-N薄膜结构及其在水环境中的摩擦和电化学特性研究

发布时间：2018-11-06 14:05

【摘要】：本文采用闭式非平衡磁控溅射系统在单晶Si(100)片和316L不锈钢片上制备了Cr(B)CN薄膜和Cr(Ti)(B)N薄膜,采用X射线衍射仪和X射线光电子能谱仪分别对薄膜晶体相结构和其表面原子化学键状态进行分析,采用扫描电子显微镜对薄膜表面和截面形貌进行观察。薄膜的硬度和弹性模量通过金刚石纳米压痕仪进行测试,而薄膜与基体的附着力通过声发射划痕仪进行测试。薄膜在水环境下的摩擦学性能通过球—盘式摩擦磨损试验机进行分析,摩擦试验结束后,通过金相显微镜和非接触式3D光学形貌仪对薄膜磨痕进行分析;为了进一步分析薄膜的摩擦磨损机理,使用扫描电子显微镜和能谱仪对薄膜磨痕进行分析。薄膜在海水环境中的电化学性能通过标准三电极系统的电化学工作站进行测试,测试内容主要包括开路电压、交流阻抗谱和动电位极化曲线测试。1)通过改变CrB_2靶溅射电流(0-4A)制备了不同B含量(0.0 at%-27.2 at%)的CrBCN薄膜,通过结构表征发现B元素在薄膜中主要以软质相非晶BN存在;当CrB_2靶电流从0A增加至3A时,Cr(B)CN薄膜硬度均在18GPa附近波动,但是薄膜的弹性模量减小至231±4.89GPa,继续增加CrB_2靶电流至4A,薄膜的硬度和弹性模量均减小;对Cr(B)CN薄膜在自来水环境下与SiC小球对磨的摩擦学性能进行测试,发现CrBCN-3薄膜在自来水环境下表现出最为优异的摩擦学性能,这主要是因为CrBCN-3薄膜具有优异的力学性能,且在摩擦过程中在对磨副界面生成起到润滑作用的胶状Si(OH)_4和具有层状结构的H_3BO_3;2)采用闭式非平衡磁控溅射系统制备了CrN、CrTiN和CrTiBN薄膜,CrN薄膜主要由CrN晶粒组成,而Ti和B元素在CrTiN和CrTiBN薄膜内主要形成TiN_(0.3)晶粒和非晶BN相。当三种薄膜分别与SiC和Si_3N_4小球在去离子水环境中进行对磨时,CrTiN薄膜均表现出相对优异的摩擦学特性,这主要是因为CrTiN薄膜具有优异的机械性能和较高的附着力;当CrN、CrTiN和CrTiBN薄膜和Al_2O_3小球在去离子水环境中进行对磨时,CrN薄膜摩擦学性能最好;当CrN、CrTiN和CrTiBN薄膜与SUS440C小球在去离子水环境中进行对磨时,由于SUS440C小球硬度低以及CrTiBN在水润滑过程中可以生成有利于改善润滑条件的H_3BO_3,故CrTiBN薄膜表现出最优的摩擦学性能。3)采用标准三电极系统对Cr(B)CN和Cr(Ti)(B)N薄膜在海水中的电化学性能进行测试,发现CrBCN薄膜的耐蚀性随着CrB_2靶溅射电流的增加而增加,这主要因为随着CrB_2靶溅射电流的增加,CrBCN薄膜致密度增加,孔隙裂缝等缺陷减少,可有效阻碍腐蚀性介质渗入到基材与薄膜接触界面,提高材料耐蚀性;对CrN、CrTiN和CrTiBN薄膜在海水环境下的电化学性能进行分析,CrTiBN薄膜具有最低的极化电流密度和最高的极化阻抗、薄膜孔洞电阻和电荷交换电阻,表明CrTiBN薄膜在三种薄膜中具有最优异的耐蚀性。4)当Cr(B)CN薄膜与SiC球在海水环境下进行对磨时,CrBCN-1薄膜和CrBCN-3薄膜表现出较低的摩擦系数和磨损率,而CrBCN薄膜的低摩擦系数和磨损率与在对磨副界面生成的起到润滑作用的胶状Si(OH)_4和具有层状结构的H_3BO_3有关;当CrBCN-3薄膜在海水环境中与SiC小球分别在不同载荷和不同速度下进行摩擦试验时,由于CrBCN-3薄膜与基材的附着力较低,故CrBCN-3薄膜在高载荷时易出现剥落,摩擦学性能较差,而滑动速度的增加有利于在对磨副界面形成润滑水膜,故CrBCN-3薄膜的摩擦学性能随滑动速度的增加而增加;当CrBCN-3薄膜与SiC、Si_3N_4、Al_2O_3和SUS440C四种小球在海水环境下进行对磨时,发现CrBCN-3/SiC对磨副表现出最优的摩擦学特性。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB383.2

【参考文献】