类金刚石薄膜摩擦自组织行为调控与超低摩擦研究
发布时间：2021-01-22 02:44
类金刚石（DLC）薄膜由于具有优异的机械性能和良好的摩擦学性能被作为固体润滑材料而广泛应用。本文采用等离子体增强化学气相沉积技术（PECVD）制备了类金刚石薄膜,考察了DLC薄膜的结构和性能,并探讨了不同温度、不同载荷对DLC薄膜摩擦的影响及机理。主要研究结果如下:1.作为研究工作内容的前提与基础,对镀膜设备结构、薄膜的制备工艺进行了阐述。利用PECVD沉积技术制备了DLC薄膜,考察了薄膜的微观组织结构、形貌特征、粗糙程度、结合力及摩擦学性能等,并对薄膜进行评价和筛选。2.研究了不同温度对DLC摩擦过程的影响及机理。利用高分辨率透射电子显微镜和拉曼光谱,研究了磨屑、磨痕的结构演变过程。发现在低于150℃温度范围内,升高温度促进石墨化,加快石墨烯纳米结构的形成,导致摩擦系数降低。150℃时,磨屑中出现较多规则的卷状石墨烯纳米结构,摩擦系数最低为0.012。200℃时,纳米卷状结构无序且角度尖锐,导致超低摩擦状态失效。结果表明,温度可以改变石墨烯纳米卷的精细结构,最终影响了DLC薄膜的摩擦学行为。3.研究了不同载荷对DLC薄膜摩擦过程的影响及机理。通过不同载荷对Al2...
【文章来源】：兰州交通大学甘肃省
【文章页数】：51 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
sp1,sp2和sp3杂化键
肓诮?膒z轨道构成弱键合的π键。在sp1方式中，则形成的两个σ键轨道，而且这两个轨道在一条线上，与两个π键轨道两两垂直。其中只含有一个σ键的碳氢化合物称之为饱和状态，如金刚石。DLC薄膜是一种非晶的具有优异的机械性能和摩擦学性能的薄膜，实际上类金刚石薄膜是含有一定sp3键合碳（可以包含30-85%sp3杂化键结构）的亚稳态的结构，而且DLC中有一些碳原子可以连三个氢原子（其氢含量可以小于1at%到大于60at%）。Jacob等[5]经文献调研，认为DLC薄膜含有sp2碳、sp3碳和氢，并进一步描绘出它们的三元相图（如图1.2所示），该相图清晰直观地表示了DLC的结构和成分组成情况。如果采用不同的沉积方法、参数和时间，均会使DLC薄膜中原子的键合方式（C-H、C-C、sp2、sp3）及各键合方式比例不同，薄膜的基本性质和在相图中的位置也会不同。图1.2非晶碳的三元相图1.2类金刚石薄膜的制备从热力学的角度分析，在300K下，要形成金刚石结构所需的自由能为394.5KJ/mol，而形成石墨结构则需为391.7KJ/mol，两者差值虽然很小，这个差值意味着将石墨转化成金刚石存在困难，这是由于存在较大的活化能垒。所以类金刚石相或sp3键
兰州交通大学工程硕士学位论文-5-合碳在热力学上属于是亚稳态。因而，DLC薄膜的制备需要在一种非平衡态的过程中才能形成亚稳态sp3碳。经过人们多年的努力研究和发展，现已有多种制备DLC薄膜的方法和技术，常见的主要有化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）及液相法（LPD）。1.2.1物理气相沉积（PVD）图1.3常见的制备DLC的物理气相沉积系统示意图[6]（a）离子束沉积；（b）离子束辅助沉积；（c）溅射沉积；（d）真空阴极电弧沉积；（e）等离子体沉积；（f）脉冲激光沉积物理气相沉积（PhysicalVapourDeposition，PVD）技术是指在真空条件下，至少有一种沉积元素被气化成气态粒子（原子、分子）或被电离成离子，然后这些气态粒子沉
【参考文献】：
期刊论文
[1]Influence of tribofilm on superlubricity of highly-hydrogenated amorphous carbon films in inert gaseous environments[J]. LIU ShuWei,ZHANG ChenHui,OSMAN Eryilmaz,CHEN XinChun,MA TianBao,HU YanZhong,LUO JianBin,ALI Erdemir. Science China（Technological Sciences）. 2016(12)
[2]热丝化学气相沉积法制备金刚石薄膜的生长取向及内应力研究[J]. 邢文娟,汪建华,王传新. 材料导报. 2007(S2)
[3]热丝化学气相沉积法在CH4/H2混合气体中低温生长超薄纳米金刚石膜（英文）[J]. 张衡,郝天亮,石成儒,韩高荣. 红外与毫米波学报. 2006(02)
[4]非平衡磁控溅射类金刚石碳膜的性能[J]. 柳翠,李国卿,张成武,李新. 材料研究学报. 2004(02)
[5]脉冲激光沉积（PLD）薄膜技术的研究现状与展望[J]. 戢明,宋全胜,曾晓雁. 真空科学与技术. 2003(01)
[6]类金刚石膜的应用及制备[J]. 马国佳,邓新绿. 真空. 2002(05)
[7]新型生物医学材料——类金刚石膜的研究进展[J]. 贺亚敏,黄培林,吕晓迎. 国外医学.生物医学工程分册. 2002(02)
[8]利用脉冲激基分子激光制备大尺寸类金刚石薄膜及其均匀性分析[J]. 李铁军,刘晶儒,王丽戈,楼祺洪. 光子学报. 1999(12)
[9]真空阴极弧离子镀类金刚石碳膜[J]. 李刘合,夏立芳,马欣新,孙跃. 哈尔滨工业大学学报. 1999(01)
[10]离子束增强沉积技术在制备优良抗蚀膜层方面的研究进展[J]. 傅永庆,徐可为,何家文. 表面技术. 1997(01)
博士论文
[1]钛合金表面液相法沉积DLC膜及其血液相容性[D]. 沈风雷.南京工业大学 2003
[2]微波-ECR等离子体增强非平衡磁控溅射技术及CN薄膜的制备研究[D]. 徐军.大连理工大学 2002
硕士论文
[1]碳基材料表面复合涂层及性能研究[D]. 张欣.东北大学 2010
[2]太阳电池用SiN/a-Si/poly-Si/NiTi薄膜的制备与性能研究[D]. 王玉雷.南京航空航天大学 2010
[3]液相电沉积类金刚石薄膜及掺杂类金刚石薄膜[D]. 江河清.河南大学 2004
[4]热丝化学气相沉积金刚石膜的研究[D]. 孙心瑗.湖南大学 2004
[5]脉冲激光沉积氮化碳薄膜及其生长机理研究[D]. 王淑芳.河北大学 2000
[6]CH4/H2系统电子助进热丝化学气相沉积动力学过程研究[D]. 陈俊英.河北大学 2000
本文编号：2992391
【文章来源】：兰州交通大学甘肃省
【文章页数】：51 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
sp1,sp2和sp3杂化键
肓诮?膒z轨道构成弱键合的π键。在sp1方式中，则形成的两个σ键轨道，而且这两个轨道在一条线上，与两个π键轨道两两垂直。其中只含有一个σ键的碳氢化合物称之为饱和状态，如金刚石。DLC薄膜是一种非晶的具有优异的机械性能和摩擦学性能的薄膜，实际上类金刚石薄膜是含有一定sp3键合碳（可以包含30-85%sp3杂化键结构）的亚稳态的结构，而且DLC中有一些碳原子可以连三个氢原子（其氢含量可以小于1at%到大于60at%）。Jacob等[5]经文献调研，认为DLC薄膜含有sp2碳、sp3碳和氢，并进一步描绘出它们的三元相图（如图1.2所示），该相图清晰直观地表示了DLC的结构和成分组成情况。如果采用不同的沉积方法、参数和时间，均会使DLC薄膜中原子的键合方式（C-H、C-C、sp2、sp3）及各键合方式比例不同，薄膜的基本性质和在相图中的位置也会不同。图1.2非晶碳的三元相图1.2类金刚石薄膜的制备从热力学的角度分析，在300K下，要形成金刚石结构所需的自由能为394.5KJ/mol，而形成石墨结构则需为391.7KJ/mol，两者差值虽然很小，这个差值意味着将石墨转化成金刚石存在困难，这是由于存在较大的活化能垒。所以类金刚石相或sp3键
兰州交通大学工程硕士学位论文-5-合碳在热力学上属于是亚稳态。因而，DLC薄膜的制备需要在一种非平衡态的过程中才能形成亚稳态sp3碳。经过人们多年的努力研究和发展，现已有多种制备DLC薄膜的方法和技术，常见的主要有化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）及液相法（LPD）。1.2.1物理气相沉积（PVD）图1.3常见的制备DLC的物理气相沉积系统示意图[6]（a）离子束沉积；（b）离子束辅助沉积；（c）溅射沉积；（d）真空阴极电弧沉积；（e）等离子体沉积；（f）脉冲激光沉积物理气相沉积（PhysicalVapourDeposition，PVD）技术是指在真空条件下，至少有一种沉积元素被气化成气态粒子（原子、分子）或被电离成离子，然后这些气态粒子沉
【参考文献】：
期刊论文
[1]Influence of tribofilm on superlubricity of highly-hydrogenated amorphous carbon films in inert gaseous environments[J]. LIU ShuWei,ZHANG ChenHui,OSMAN Eryilmaz,CHEN XinChun,MA TianBao,HU YanZhong,LUO JianBin,ALI Erdemir. Science China（Technological Sciences）. 2016(12)
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[9]真空阴极弧离子镀类金刚石碳膜[J]. 李刘合,夏立芳,马欣新,孙跃. 哈尔滨工业大学学报. 1999(01)
[10]离子束增强沉积技术在制备优良抗蚀膜层方面的研究进展[J]. 傅永庆,徐可为,何家文. 表面技术. 1997(01)
博士论文
[1]钛合金表面液相法沉积DLC膜及其血液相容性[D]. 沈风雷.南京工业大学 2003
[2]微波-ECR等离子体增强非平衡磁控溅射技术及CN薄膜的制备研究[D]. 徐军.大连理工大学 2002
硕士论文
[1]碳基材料表面复合涂层及性能研究[D]. 张欣.东北大学 2010
[2]太阳电池用SiN/a-Si/poly-Si/NiTi薄膜的制备与性能研究[D]. 王玉雷.南京航空航天大学 2010
[3]液相电沉积类金刚石薄膜及掺杂类金刚石薄膜[D]. 江河清.河南大学 2004
[4]热丝化学气相沉积金刚石膜的研究[D]. 孙心瑗.湖南大学 2004
[5]脉冲激光沉积氮化碳薄膜及其生长机理研究[D]. 王淑芳.河北大学 2000
[6]CH4/H2系统电子助进热丝化学气相沉积动力学过程研究[D]. 陈俊英.河北大学 2000
本文编号：2992391
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