碳膜力学性能表征和改善研究

发布时间：2017-10-09 08:19

  本文关键词：碳膜力学性能表征和改善研究

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【摘要】：本论文以改善碳膜力学性能为出发点,利用离子束辅助沉积技术制备了不同金属含量的掺银类金刚石碳膜(Ag-DLC)和掺铜类金刚石碳膜(Cu-DLC);在SiC过渡层上利用化学气相沉积制备厚度在微米量级的金刚石膜。通过研究类金刚石的韧性表征方法及其韧化机理和微米量级厚度的金刚石膜的力学性能的表征方法,探索得到改善硬质碳膜力学性能的机理和方法。然后通过实验进一步对研究的表征方法和机理进行验证。结果表明：(1)提出从能量和应力两个方面对类金刚石薄膜的韧性进行表征的方法,发现结合利用薄膜的冲击韧性和划痕韧性可完整反映薄膜的韧性。得到类金刚石薄膜的韧化是由下面五个机理共同作用的结果：(Ⅰ)制备期间适宜的离子轰击膜层在薄膜内部形成压应力；(Ⅱ)掺杂形成的新“原子簇”粒径变小,晶界和晶界滑移增多,应力集中因数降低；(Ⅲ)韧性相的屈服和韧性相桥接的“韧带”作用； (Ⅳ)同质碳原子的互斥作用降低；(Ⅴ)剪切软金属,缓解应力场。与实验结比对发现,机理Ⅱ、Ⅲ和Ⅴ起主导作用。(2)探索了微米量级厚度金刚石膜的力学性能的表征方法。利用人造金刚石在垂直方向能承受高载荷的性能,替换为人造金刚石压头在金刚石膜表面施加较高的垂直载荷,压入较大的深度。通过探讨压痕法表征微米量级金刚石膜层的硬度和弹性模量的原理可知利用机架柔度校正后的压入深度和压头的几何形状计算出压痕的面积,进而得到金刚石膜的硬度和弹性模量。通过观察大载荷下,加载曲线上的位移台阶,可以定性的评价出一系列薄膜结合力的相对大小。(3)通过在硬质合金刀具表面制备碳化硅过渡层改善金刚石膜的附着性能,金刚石膜与基体的结合性能与薄膜自身的力学性能有关。通过对其力学性能的表征验证前期研究的表征方法,并找到改善膜基结合力的机理。正交实验的实验结果得到了制备SiC过渡层的最优组合：偏压100V、靶电流10A、乙炔气体流量45sccm,偏压是影响金刚石膜附着性能的主要参数。制备通过观察不同沉积温度下制备的金刚石膜的表面形貌和拉曼光谱,进而推断出SiC过渡层增强膜基结合力的机理。
【关键词】：金刚石膜 类金刚石碳膜 力学性能 表征方法 改善机理
【学位授予单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TB383.2
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 研究意义10
• 1.2 硬质碳膜力学性能10-12
• 1.3 类金刚石碳膜韧性表征及韧化机理12-13
• 1.4 金刚石膜力学性能的表征和改善机理13-16
• 1.4.1 金刚石膜力学性能的表征方法13-14
• 1.4.2 改善硬质合金表面CVD金刚石膜的研究现状14-16
• 1.5 选题依据16
• 1.6 研究目的、主要内容及撰写思路16-18
• 第二章 实验部分18-27
• 2.1 制备设备及工艺18-25
• 2.1.1 类金刚石碳膜的制备设备及工艺18-19
• 2.1.2 碳化硅过渡层的制备设备及工艺19-22
• 2.1.3 金刚石碳膜的制备设备及工艺22-25
• 2.2 薄膜表征25-27
• 2.2.1 X射线衍射仪25
• 2.2.2 拉曼光谱分析仪25
• 2.2.3 微米压痕仪25-26
• 2.2.4 划痕实验仪26
• 2.2.5 冲击实验26-27
• 第三章 类金刚石碳膜韧性表征及韧化机理27-44
• 3.1 硬质碳膜的韧性表征方法28-36
• 3.1.1 压球法表征薄膜冲击韧性28-31
• 3.1.2 划痕法表征薄膜划痕韧性31-35
• 3.1.3 薄膜韧性表征的方法35-36
• 3.2 韧化机理探讨36-43
• 3.2.1 能量方法的失效机制37-38
• 3.2.2 应力方法的失效机制38
• 3.2.3 韧化机理探讨38-43
• 3.3 本章小结43-44
• 第四章 微米压痕法评价金刚石膜力学性能44-56
• 4.1 微米压痕法表征硬质硬度和弹性模量44-52
• 4.1.1 微米压痕法表征硬质碳膜硬质硬度和弹性模量的测量原理44-49
• 4.1.2 探索微米量级的压痕面积49-51
• 4.1.3 机架柔度的标定和压痕面积的确定51-52
• 4.2 微米压痕测量结合力52-54
• 4.3 本章小结54-56
• 第五章 碳化硅过渡层改善硬质合金刀具金刚石涂层力学性能的方法和机理56-67
• 5.1 正交实验结果分析与讨论56-65
• 5.1.1 金刚石膜的弹性模量和结合力的结果分析58-61
• 5.1.2 间隔层提高金刚石膜基结合力的机理61-65
• 5.2 分析影响金刚石涂层膜基结合力的因素65
• 5.3 本章小结65-67
• 第六章 结论67-69
• 致谢69-70
• 参考文献70-74
• 个人简历74-75
• 在学期间研究成果75

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本文编号：999117