金属改性碳基纳米复合薄膜的制备及其性能研究

发布时间：2020-06-03 09:03

【摘要】：类金刚石(Diamond-like Carbon,简称DLC)薄膜主要是由金刚石相的sp3杂化碳和石墨相的sp2杂化碳所组成的无定型碳膜。由于DLC薄膜具有低摩擦系数、高耐磨性、较好的化学惰性、优异的抗腐蚀性以及高光学透过率等优良性能,近年来在机械、光学和航天航空等领域DLC薄膜都得到了广泛的应用。但是,DLC膜由于极高的内应力,较差的韧性等缺陷使得其在实际应用中受到了极大的限制。因此,如何改善DLC薄膜的这些缺陷,一直是研究工作的热点。近年来科研人员发现,许多金属元素(如Cr、Ti、W、Ag和Cu)可以有效地改善DLC薄膜的高残余应力、热稳定性和延展性。针对上述DLC薄膜的缺陷,本文设计了采用双激发源真空阴极弧(脉冲阴极弧和直流阴极弧)蒸发技术,即利用脉冲阴极弧发生器蒸发石墨靶材,利用磁分离直流阴极弧蒸发金属靶材来制备单金属元素(Ti、Cr)掺杂DLC薄膜、双金属元素(Ni,Cr)共掺杂DLC薄膜以及利用Cr元素对DLC薄膜进行构筑过渡层三种实验方案,研究了上述方案对于DLC薄膜成分、结构和性能的影响。主要研究内容如下:(1)在n型100硅片及8K镜面304不锈钢基底上制备了相对原子百分比含量不同a-C:Ti薄膜。通过Raman光谱、XPS光谱、AES、EDS和AFM对薄膜的成分、结构以及表面形貌进行分析。采用纳米压痕仪和摩擦磨损试验机测试薄膜的机械性能和摩擦学性能,并针对薄膜的润湿性能和抗腐蚀性能采用接触角及表面张力测量仪和电化学工作站进行了表征和分析。(2)在n型100硅片及8K镜面304不锈钢基底上制备了 a-C、a-C:Cr、Cr/a-C和Cr/a-C:Cr四种薄膜样品。通过Raman光谱仪分析薄膜的相结构、XPS分析薄膜的元素组成、AFM和SEM观察了薄膜的表面形貌。采用纳米压痕仪、摩擦磨损试验机分别测量了硬度和弹性模量、摩擦系数,并使用触角及表面张力测量仪和电化学工作站对薄膜的润湿性能和抗腐蚀性能进行了测试。(3)在n型100硅片及8K镜面304不锈钢基底上制备双金属(Ni,Cr)相对原子百分比含量不同的a-C:(Ni,Cr)薄膜,通过XPS光谱、Raman光谱、AFM分析了薄膜的成分,结构以及形貌,通过纳米压痕仪和摩擦磨损试验机对薄膜的机械性能做了表征和分析,并针对薄膜的润湿性能和抗腐蚀性能采用了接触角及表面张力测量仪和电化学工作站进行了评价。
【图文】：

示意图,等离子体涂层,阴极电弧,制备装置

章薄膜的制备、表征与测试逦硕士学位薄膜的制备、表征与测试逡逑本章主要介绍了制备ＤＬＣ薄膜时所使用的镀膜设备和工艺流程，以及对薄膜和形貌表征以及应用性能进行测试的相关仪器及其工作原理。逡逑镀膜装置及原理逡逑本实验所采用薄膜制备设备皆为由白俄罗斯戈梅利国立大学自主研发ｔｍｉｅ－ＤＬＣ型号真空阴极弧等离子体蒸发设备。本设备装配有双激发源，可同时阴极弧和脉冲阴极等离子弧同时蒸发靶材沉积薄膜。同时，该设备还配备低能源、基底偏压源和样品旋转台等辅助系统。该设备的工作原理示意图如２．１所构件配置的关键参数如表２．１所示。逡逑

显微拉曼光谱,真空室,基底

能的影响；双金属元素（Ｎｉ，Ｃｒ）共掺杂对ＤＬＣ薄膜的结构和性能的影响。逡逑实验选取２．0ｘｌ．0Ｃｍ的ｎ型１００硅片、３．0ｘ３．0ｘ0．３ｃｍ的单面抛光的３０４不锈钢片为逡逑基底。实验流程如图２．２所：＾。逡逑清洗基底逡逑真空室除尘逡逑放入基底逡逑丨系统抽真空逡逑氩离子束溅射清洗逡逑ｔ邋［邋１邋１邋．邋．逦，逡逑｜割备ＤＬＣ、ＤＬＣ：Ｃｒ、逦改变脉冲频率制备逦改变阴极Ｍ电流制备逦制备不同Ｃｒ过渡层的逡逑ｋｒ／ＤＬＣ、Ｃｒ／ＤＬＣ：Ｃｒ薄膜逦ＤＬＣＣｒ薄膜逦ＤＬＣＣｒ膜逦ＤＬＣ薄膜逡逑Ｉ逦；逦邋逦＾逦逦逡逑！逦邋１邋．邋１逦邋１逡逑后期处理｜逡逑图２．２薄膜制备工艺流程逡逑在基底放入真空室前，需对基底表面进行预处理，以去除附着于表面的有机物和灰逡逑尘。我们采用超声清洗仪，一次使用丙酮、乙醇和去离子水对基底超声１０分钟，超声逡逑完毕后，将基底取出放入烘箱干燥备用。逡逑进行薄膜沉积前，需先对真空室进行清洁处理，先用吸尘器出去真空室内的灰尘，逡逑随后用酒精擦拭真空室腔体，待酒精挥发后，将基底放入真空室内样品台，，开启样品台逡逑旋转系统，转速为３０ｒ／ｍｉｎ，关闭真空室腔门，对真空室进行预抽真空，先启动机洗泵逡逑对抽真空至随后启动分子泵
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2

【参考文献】