含氢类金刚石膜生长及摩擦机理研究

发布时间：2017-04-16 02:18

  本文关键词：含氢类金刚石膜生长及摩擦机理研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：类金刚石(diamond-like carbon,DLC)膜具有极高硬度,且摩擦系数很低,耐磨性较好,因此其在摩擦学领域的应用十分广泛。本文将含氢DLC膜作为研究对象,采用以第二代反应经验键序(second-generation reactive empirical bond order,REBO)势函数为基础的分子动力学模拟方法,研究含氢DLC膜的生长过程以及摩擦机理。在含氢DLC膜的生长过程中,定义DLC膜的密度、氢含量以及sp3比例等参数,重点考察入射能量以及入射源的氢含量和基团特性对含氢DLC膜生长过程的影响规律。在低能量下,入射粒子的吸附行为占主要地位,并且入射粒子倾向于保留其原有的分子结构。当入射粒子的能量增大时,薄膜的相对密度也随之增大,直至达到稳定值,但含氢DLC膜的氢含量却呈现下降趋势。含氢DLC膜生长机制可概括为:低能量下,sp3结构的形成归因于氢原子的沉积;高能量下,sp3结构的形成则归因于碳原子的注入。因此,可以认为其生长机制明显区别于无氢DLC膜。若增大入射源的氢含量,则薄膜的相对密度降低,薄膜中氢含量增大,且sp3比例大体呈现增大趋势。当入射分子为不饱和自由基时更容易在表面发生化学吸附,因而其在低能量下的沉积率以及沉积得到的薄膜的sp3比例都会高于中性分子入射时的情况。但这一现象在高能量下并不明显,因为高能量下入射粒子的化学键发生明显断裂,破坏了原始的分子结构。采用单粗糙峰模型,研究了不同氢含量的含氢DLC膜在不同载荷下的摩擦特性。结果表明,薄膜氢含量以及法向载荷都会影响薄膜的微观摩擦学行为。低氢含量的薄膜在低载时呈现高粘附力以及高摩擦力。高载下,薄膜局部出现层状类石墨结构,在摩擦过程中可以起到一定的润滑作用,降低薄膜摩擦系数。氢含量较高的薄膜受到的摩擦力随载荷的变化呈现持续线性变化;氢钝化现象在低载下尤为明显,压头表面观察到富含氢的单原子转移层,同时氢原子在薄膜表面发生聚集,有助于实现两个氢钝化表面间的摩擦,使摩擦力显著减小。通过薄膜微观结构和摩擦学性能分析,薄膜生长的最优入射能量范围是20-45 eV,且入射粒子可选为CH2基团,此时,薄膜氢含量较高且有利于超滑现象的发生。
【关键词】：含氢类金刚石膜 分子动力学 氢含量 sp3杂化比例 相变
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.2
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 引言8-29
• 1.1 课题背景及意义8-9
• 1.2 含氢类金刚石膜的制备方法9-11
• 1.3 含氢类金刚石膜的生长研究11-21
• 1.3.1 实验方面11-13
• 1.3.2 类金刚石膜结构的表征13-14
• 1.3.3 模拟方面14-19
• 1.3.4 含氢类金刚石膜生长机制19-21
• 1.4 含氢类金刚石膜的摩擦21-27
• 1.4.1 薄膜结构和成分的影响21-23
• 1.4.2 气体环境的影响23-24
• 1.4.3 测试条件的影响24-25
• 1.4.4 摩擦机理研究25-27
• 1.5 本文的主要工作27-29
• 第2章 模拟方法29-36
• 2.1 核心思想29
• 2.2 势函数29-33
• 2.3 控温方法33-34
• 2.4 本章小结34-36
• 第3章 含氢类金刚石膜的生长36-51
• 3.1 生长过程的模拟体系36-38
• 3.2 含氢类金刚石膜结构的能量依赖性38-44
• 3.2.1 薄膜微观结构38-40
• 3.2.2 薄膜分层结构40-42
• 3.2.3 入射能量的影响42-44
• 3.3 含氢类金刚石膜生长机制44-45
• 3.4 入射源特性的影响45-50
• 3.4.1 入射源碳氢比的影响45-49
• 3.4.2 入射源基团特性的影响49-50
• 3.5 本章小结50-51
• 第4章 含氢类金刚石膜的摩擦51-62
• 4.1 摩擦过程的模拟体系51-52
• 4.2 含氢类金刚石膜微观摩擦行为52-54
• 4.3 原子尺度摩擦机理54-61
• 4.4 本章小结61-62
• 第5章 结论62-64
• 5.1 薄膜生长过程的主要结论62-63
• 5.2 薄膜摩擦过程的主要结论63
• 5.3 后续研究展望63-64
• 参考文献64-69
• 致谢69-71
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果71

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前8条

1 刘宏华;尹云飞;王平;;磁头DLC保护膜的研究现状[J];材料导报;2008年11期

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本文编号：309788