超硬金刚石表面致硬机理及其纳米硬度评价技术研究

发布时间：2020-05-03 15:40

【摘要】：天然单晶金刚石是自然界中已知最硬的物质,由金刚石制作的各种器具被广泛应用于切削、抛光以及石油化工领域。国内外的许多学者进行了大量超硬材料的研究工作,期望能获得硬度比金刚石硬度更高的材料,有部分学者在他们发表的文章中展示了获得的超硬材料,但是都通过与天然金刚石的对比表明获得的材料具有比金刚石更高的硬度,没有定量地测量超硬材料的硬度。作者所在课题组在对金刚石刀具的后续热处理研究过程中观察到了一种超硬金刚石表面的现象。在课题组前期的研究工作中,采用纳米压痕技术对热处理后刀具表面的力学性能进行分析,得到超硬金刚石表面的硬度及弹性模量在压入深度为6nm出现最大值,分别为650GPa和24000GPa,约为金刚石实际硬度的6.5倍和实际弹性模量的12倍。对于超硬金刚石表面的致硬机理,还没有进行相关的研究分析。目前,纳米压痕仪上使用的各类不同形状的压头均由金刚石材料制作,对于硬度远小于金刚石硬度的被测样品,现有的Oliver-Pharr计算方法能很好的获得材料的硬度;然而对于上述的超硬材料,在纳米压痕过程中,金刚石压头可能产生弹性变形甚至塑性变形,使得测量结果产生较大的误差。本文围绕超硬金刚石表面的致硬机理,以及超硬材料的硬度评价技术展开研究。具体的研究成果涵盖以下内容。首先,应用分子动力学模拟技术,验证了Airebo势函数对石墨烯碳原子间相互作用的模拟效果;其次对石墨烯金刚石体系的超硬材料的纳米压痕过程进行了分子动力学模拟,分析了超硬材料的加卸载曲线,并与超硬材料纳米压痕实验的结果进行了对比;同时观察了超硬材料纳米压痕过程中石墨烯碳碳键断裂过程,以及金刚石位错的扩展过程,得出石墨烯优异的力学性能延缓金刚石晶体位错的扩展,以及石墨烯高强度的碳碳键使得金刚石表面的自由能得到提高,是使超硬金刚石表面表现出超高硬度的主要原因。其次,在弹塑性接触理论的基础上,推导了压头弹性变形时载荷和压深的关系,确定了该方法的适用范围,并在推导过程中得到了压头接触面积与最大压深的关系;并通过金刚石压头加载金刚石样品的纳米压痕实验验证了理论的可行性;同时对两种面积函数的校准方法进行对比,尤其是在小压深的情况下,对两种方法的结果进行对比,得出使用原子力显微镜测量方法得到的结果更加准确。再次,在金刚石压头塑性变形的情况下,采用量纲分析方法,分析了压头尖端钝圆半径R与载荷P、压深h、名义弹性模量Er以及压头尖端初始钝圆半径r0关系,并得出相应的表达式;再通过实验,对表达式进行拟合。考虑到压头塑性变形时,压头的棱边钝圆半径也有相应的变化,通过实验建立了压头棱边钝圆半径变化规律与压深的关系。综合压头尖端钝圆半径和棱边钝圆半径的变化,得到了压头塑性变形时面积函数的表达式。最后,通过原子力显微镜确定超硬金刚石纳米压痕测试时,金刚石压头处于弹性变形范围,应用上述结果,测得超硬金刚石表面在5nm时的硬度值为13.1GPa,是此压深下金刚石硬度的1.2倍。
【图文】：

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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文者的研究过程中，采用了连续刚度测量方法来测量硬度和弹性模量，由于系统差的存在导致这种现象的出现，然而从图 1-1 我们可以发现，他们在相同的条件采用同种测量方法，对金刚石粗糙表面以及机械抛光的表面进行硬度和弹性模测量并没有出现类似的现象，说明系统误差这一解释不合理。进而，有充分的由认为在金刚石处理后的表面存在某种硬度和弹性模量高于金刚石的硬度和弹模量的物质，为了表述方便，下文都将这种物质表述为超硬材料。

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a)硬度与压入深度关系曲线 b)弹性模量与压入深度关系曲线图 1-1 金刚石粗糙表面、机械抛光表面以及处理后表面的机械性能 Zong. 等学者的进一步研究中，使用高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)对质进行观察，获得微观形貌如图 1-2 所示。可以看到图中未知物质成分的晶色)交错分布在金刚石晶体中，形成了晶体结构复杂的多晶材料，这种多晶材高的硬度和弹性模量。对这种材料的能谱进行分析，表明超硬材料中仅含素。用拉曼光谱对这种材料的结构进行进测试研究，，在图 1-3 中，1332cm-峰金刚石晶体的特征峰，在 1600 cm-1附件出现了低能宽峰，该峰为纳晶石峰，这表明金刚石晶体中交错分布的晶体为层状石墨或石墨烯。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34

【参考文献】