硫化钨基薄膜结构、力学性能及在空气中的摩擦学特性研究
发布时间：2021-02-06 20:07
本文为提高MEMS器件的摩擦学性能,通过磁控溅射系统在单晶Si（100）基片上沉积了WS（C）薄膜、WSN薄膜和WSCN薄膜。薄膜的晶相结构、组成成分和化学键结构分别采用X射线衍射仪（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）进行分析,薄膜的表面和截面形貌采用扫描电镜（SEM）进行观察。薄膜的硬度和结合力分别采用金刚石纳米压痕仪和声发射划痕仪进行测试。薄膜与Si3N4球在空气中对摩的摩擦学性能通过球对盘式摩擦磨损试验机进行分析,摩擦实验结束后,薄膜和球的磨痕采用金相光学显微镜、非接触式三维光学形貌仪及扫描电镜和能谱仪进行分析。研究结果表明:1)利用磁控溅射技术,通过改变WS2靶材溅射功率（100-300W）制备了不同组分的WS（C）薄膜,薄膜代号为WSC-X（X代表WS2靶材的溅射功率）。不同组分的WSC薄膜硬度在1.99GPa到4.43GPa之间,S/W原子比为0.63的WSC-250薄膜因具有最高的硬度,摩擦系数最低,为0.4;选取WSC-250薄膜的制备参数,通过改变偏压制备了不同偏压的WSC薄膜,...
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
WSC薄膜的X射线衍射图谱
南京航空航天大学硕士学位论文韦春贝等[35]在不同的沉积气压下，通过磁控溅射WS2靶和石墨靶制备了不同C含量的膜，指出：沉积气压高时，WSC 薄膜中 C 含量低，WSx的质量分数相对较高，并且高气压使 Ar 离子与溅射原子之间的碰撞几率增加，导致薄膜结构疏松，表现出明显的 W貌特征（多孔性的柱状结构）；而当沉积气压低时，WSC 薄膜中 C 含量提高，WSx的质相对降低，薄膜呈现出致密的无组织非晶状结构，薄膜的硬度也随之增加。可见，WSC C 含量的提高，会使薄膜向非晶化转变，形成致密的薄膜结构，从而提高 WSC 薄膜的硬除了对硬度有明显的提高作用之外，C 元素对薄膜黏附力也有明显的改善作用。Noss7]利用射频磁控溅射方法制备了具有 Ti 中间层的不同 C 原子数分数的 Ti/W-S-C 薄膜，指对于 Ti/WS2薄膜，低碳原子数分数的 Ti/W-S-C 薄膜黏附力只有少量的提高（从 5N 增），薄膜和中间层之间容易出现剥落；随着 C 原子数分数的增加，Ti/W-S-C 薄膜的黏到明显的提高，可达到 50N 以上，避免了低载荷时出现的剥落现象。
石墨作为靶材，制备了不同C含量的Ti/WSC薄膜，并在不同湿度的室温条件下，研究了薄膜的摩擦学性能。在球对盘实验中，当载荷为5N，室温下，湿度对WSC薄膜的平均摩擦系数和磨损率的影响如图1.4所示。由图1.4可知，在干燥空气（湿度<5%）中，薄膜的摩擦系数非常低(0.03~0.06)；当湿度增加到40%时，不同C含量薄膜的摩擦系数呈现出相似的增长趋势（摩擦系数达到0.2）。对于C含量较高（大于41at.%）的Ti/WSC薄膜，WS2薄片被包围在非晶基质中，自润滑效果减弱，导致其摩擦系数随湿度升高而出现微弱的降低趋势。与摩擦系数的变化趋势相反，在干燥空气中，高C含量的Ti/WSC薄膜的磨损率明显高于低C含量的薄膜
【参考文献】：
期刊论文
[1]磁控溅射MoS2-Ni复合膜的结构与性能研究[J]. 韦春贝,欧文敏,侯惠君,林松盛,代明江,石倩. 表面技术. 2017(10)
[2]真空蒸发镀膜[J]. 甄聪棉,李壮志,侯登录,郭革新,李玉现. 物理实验. 2017(05)
[3]MoS2/Ni复合膜的微结构与摩擦学性能[J]. 孙建荣,李长生,郭志成,刘金银子. 机械工程材料. 2013(06)
[4]偏压及测试环境对新型MoS2-Ti复合膜摩擦学性能的影响[J]. 秦晓鹏,柯培玲,汪爱英. 摩擦学学报. 2013(02)
[5]沉积气压对W-S-C复合薄膜结构和摩擦学性能的影响[J]. 韦春贝,代明江,侯惠君,林松盛,赵利. 润滑与密封. 2012(06)
[6]磁控溅射镀膜技术的发展[J]. 余东海,王成勇,成晓玲,宋月贤. 真空. 2009(02)
[7]碳基薄膜水润滑性能的研究进展[J]. 周飞,戴振东,加藤康司. 润滑与密封. 2006(07)
[8]微机电系统的发展及其应用[J]. 林忠华,胡国清,刘文艳,张慧杰. 纳米技术与精密工程. 2004(02)
[9]化学气相沉积技术与材料制备[J]. 胡昌义,李靖华. 稀有金属. 2001(05)
博士论文
[1]碳/氮基薄膜结构、力学性能及水环境中摩擦与腐蚀特性研究[D]. 王谦之.南京航空航天大学 2013
硕士论文
[1]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[D]. 马强.南京航空航天大学 2017
本文编号：3021022
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
WSC薄膜的X射线衍射图谱
南京航空航天大学硕士学位论文韦春贝等[35]在不同的沉积气压下，通过磁控溅射WS2靶和石墨靶制备了不同C含量的膜，指出：沉积气压高时，WSC 薄膜中 C 含量低，WSx的质量分数相对较高，并且高气压使 Ar 离子与溅射原子之间的碰撞几率增加，导致薄膜结构疏松，表现出明显的 W貌特征（多孔性的柱状结构）；而当沉积气压低时，WSC 薄膜中 C 含量提高，WSx的质相对降低，薄膜呈现出致密的无组织非晶状结构，薄膜的硬度也随之增加。可见，WSC C 含量的提高，会使薄膜向非晶化转变，形成致密的薄膜结构，从而提高 WSC 薄膜的硬除了对硬度有明显的提高作用之外，C 元素对薄膜黏附力也有明显的改善作用。Noss7]利用射频磁控溅射方法制备了具有 Ti 中间层的不同 C 原子数分数的 Ti/W-S-C 薄膜，指对于 Ti/WS2薄膜，低碳原子数分数的 Ti/W-S-C 薄膜黏附力只有少量的提高（从 5N 增），薄膜和中间层之间容易出现剥落；随着 C 原子数分数的增加，Ti/W-S-C 薄膜的黏到明显的提高，可达到 50N 以上，避免了低载荷时出现的剥落现象。
石墨作为靶材，制备了不同C含量的Ti/WSC薄膜，并在不同湿度的室温条件下，研究了薄膜的摩擦学性能。在球对盘实验中，当载荷为5N，室温下，湿度对WSC薄膜的平均摩擦系数和磨损率的影响如图1.4所示。由图1.4可知，在干燥空气（湿度<5%）中，薄膜的摩擦系数非常低(0.03~0.06)；当湿度增加到40%时，不同C含量薄膜的摩擦系数呈现出相似的增长趋势（摩擦系数达到0.2）。对于C含量较高（大于41at.%）的Ti/WSC薄膜，WS2薄片被包围在非晶基质中，自润滑效果减弱，导致其摩擦系数随湿度升高而出现微弱的降低趋势。与摩擦系数的变化趋势相反，在干燥空气中，高C含量的Ti/WSC薄膜的磨损率明显高于低C含量的薄膜
【参考文献】：
期刊论文
[1]磁控溅射MoS2-Ni复合膜的结构与性能研究[J]. 韦春贝,欧文敏,侯惠君,林松盛,代明江,石倩. 表面技术. 2017(10)
[2]真空蒸发镀膜[J]. 甄聪棉,李壮志,侯登录,郭革新,李玉现. 物理实验. 2017(05)
[3]MoS2/Ni复合膜的微结构与摩擦学性能[J]. 孙建荣,李长生,郭志成,刘金银子. 机械工程材料. 2013(06)
[4]偏压及测试环境对新型MoS2-Ti复合膜摩擦学性能的影响[J]. 秦晓鹏,柯培玲,汪爱英. 摩擦学学报. 2013(02)
[5]沉积气压对W-S-C复合薄膜结构和摩擦学性能的影响[J]. 韦春贝,代明江,侯惠君,林松盛,赵利. 润滑与密封. 2012(06)
[6]磁控溅射镀膜技术的发展[J]. 余东海,王成勇,成晓玲,宋月贤. 真空. 2009(02)
[7]碳基薄膜水润滑性能的研究进展[J]. 周飞,戴振东,加藤康司. 润滑与密封. 2006(07)
[8]微机电系统的发展及其应用[J]. 林忠华,胡国清,刘文艳,张慧杰. 纳米技术与精密工程. 2004(02)
[9]化学气相沉积技术与材料制备[J]. 胡昌义,李靖华. 稀有金属. 2001(05)
博士论文
[1]碳/氮基薄膜结构、力学性能及水环境中摩擦与腐蚀特性研究[D]. 王谦之.南京航空航天大学 2013
硕士论文
[1]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[D]. 马强.南京航空航天大学 2017
本文编号：3021022
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