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陶瓷薄膜（涂层）材料力学性能评价技术研究

作　者: 李坤明
导　师: 包亦望
学　校: 中国建筑材料科学研究总院
专　业: 材料学
关键词: 陶瓷薄膜(涂层) 力学性能复合硬度模型压痕法十字交叉法冲击法划痕法
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

陶瓷薄膜（涂层）材料具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、抗氧化等优良性能,因此在航天航空工业、自动化工业及纺织工业等众多领域得到广泛应用,工程应用中往往与力学性能有关,所以力学性能的评价起着重要的作用。本论文主要研究了陶瓷薄膜或者涂层材料的硬度、弹性模量、断裂韧性、膜层与基体结合强度、抗冲击性、抗划伤性及抗热震性等力学性能,相关内容论述如下:1.以高速钢基体/氮化物薄膜作为样品,利用J（o|¨）nsson and Hogmark（J-H）模型和Lesage and Chicot（L-C）模型分析了该膜层的本征硬度,建立了一种新模型,新模型得到在不同载荷下该膜层的本征硬度的变化趋势与J-H模型和L-C模型一致,新模型计算出膜层的本征硬度为19.8±2.3 GPa。膜层的表面压痕出现压裂或者压崩的现象,这可能与不同载荷下本征硬度的变化有一定的关系。2.利用位移敏感压痕法计算了普通玻璃和不锈钢的硬度和弹性模量,其结果与传统方法或参考值很接近,表明该方法可靠性良好。利用该方法计算得知CVD SiC硬质膜的硬度和弹性模量分别为37.7 GPa和456.4 GPa。应用三个断裂韧性公式计算出CVD SiC硬质膜K_IC均值为2.70 MPam^1/2,制备成膜层材料后的断裂韧性比块体材料的参考值有所降低。3.应用压痕法和十字交叉法测试了硅基/类金刚石涂层的界面结合强度。用Vickers和Hertz压痕法测得该膜层的临界载荷分别为0.981 N和300 N。对于Vickers压痕,载荷达到临界载荷时涂层会产生环状开裂或者剥落,当载荷较大时,还会产生径向裂纹。对于Hertz压痕法,载荷在300～800 N时,随着载荷的增加,涂层环状裂纹从1个增加到4个。十字交叉法测得硅基/DLC涂层界面拉伸和剪切强度分别为（8.9±2.7） MPa和（20.1±2.6） MPa。4.以热喷涂钢基体/ZrO₂涂层和Al基体/ZrO₂涂层材料作为样品,以四种冲击角度（90°、60°、45°、30°）利用球头冲击法研究其抗冲击性能,研究了两种样品在相同和不同角度下冲击力值及冲量的变化趋势,根据冲击波形图和膜层表面损伤情况可以预测钢基体/ZrO₂涂层的抗冲击性能优于Al基体/ZrO₂涂层。5.利用划痕法研究了不同膜层体系的抗划伤能力。对于C基体/SiC膜层,在划痕长度相同的条件下,随着最大法向载荷及其对应的载荷速率的增加,其临界载荷有所下降,并分析了划痕形貌;以及在相同划痕条件下,研究了不同膜基体系的声发射曲线的差异及形貌差异,结果表明:对于硬脆膜层材料,划痕法能有效获得其临界载荷值。6.研究了铝基/ZrO₂涂层和钢基/ZrO₂涂层的落水淬火实验,通过观察涂层的表面及膜基体系断面形貌以了解热震过程中膜层是否有剥离和微裂纹。对于钢基/ZrO₂膜层,当淬冷温差大于800°C,膜层表面出现了微小的裂纹,但膜基体系并无大的明显变化,表明ZrO₂涂层具有优良的抗急冷热震性。利用汽油增氧局部加热法研究表明钢基/ZrO₂涂层有明显的抗急热热震作用,钢基ZrO₂涂层表面可以抵抗的急热条件为:喷火时间小于8s和喷火温度小于1450°C。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第一章绪论  11-24
  1.1 研究背景与意义  11-12
  1.2 薄膜（涂层）力学性能研究概论  12-21
    1.2.1 薄膜概述  12-13
    1.2.2 膜层力学性能国内外研究现状  13-21
  1.3 存在的不足和有待深入研究的问题  21-22
  1.4 本研究课题的来源及主要研究内容  22-24
第二章复合硬度模型研究陶瓷薄膜的本征硬度  24-39
  2.1 引言  24
  2.2 J(o|¨)nsson and Hogmark (J-H) 模型  24-26
  2.3 Lesage and Chicot (L-C) 模型  26-29
  2.4 新模型  29-31
  2.5 实验  31-32
  2.6 结果与讨论  32-37
  2.7 本章小结  37-39
第三章位移敏感压痕技术评价SiC 硬质膜的力学性能  39-49
  3.1 引言  39
  3.2 Oliver-Pharr 模型及计算方法  39-42
  3.3 实验  42-43
    3.3.1 样品准备  42-43
    3.3.2 样品测试  43
  3.4 结果与讨论  43-48
    3.4.1 硬度与弹性模量研究  43-45
    3.4.2 形貌及断裂韧性研究  45-48
  3.5 本章小结  48-49
第四章压痕法和十字交叉法评价类金刚石膜的界面结合强度  49-60
  4.1 引言  49-50
  4.2 实验  50-52
    4.2.1 压痕法测试  50
    4.2.2 十字交叉法测试  50-52
  4.3 结果与讨论  52-58
    4.3.1 DLC 涂层断面形貌  52-53
    4.3.2 压痕法实验结果及形貌  53-54
    4.3.3 十字交叉法试验结果和界面形貌  54-58
    4.3.4 十字交叉法的局限性  58
  4.4 本章小结  58-60
第五章冲击法研究陶瓷膜层材料的抗冲击性能  60-86
  5.1 引言  60
  5.2 实验  60-62
  5.3 结果与讨论  62-84
    5.3.1 膜层断面及表面形貌研究  62-64
    5.3.2 90°冲击  64-68
    5.3.3 60°冲击  68-73
    5.3.4 45°冲击  73-79
    5.3.5 30°冲击  79-84
  5.4 本章小结  84-86
第六章划痕法研究涂层的结合力和抗划伤性及陶瓷涂层的抗热震性研究  86-107
  6.1 涂层结合力和抗划伤能力研究  86-100
    6.1.1 引言  86
    6.1.2 划痕法原理  86-87
    6.1.3 划痕实验  87-89
    6.1.4 结果与讨论  89-100
      6.1.4.1 不同最大法向载荷和载荷速率下的划痕损伤研究  89-91
      6.1.4.2 相同条件下不同膜层抗划伤性研究  91-94
      6.1.4.3 钛基体及Ti0_2 膜层抗划伤性研究  94-100
  6.2 抗热震性研究  100-105
    6.2.1 引言  100
    6.2.2 实验  100-102
    6.2.3 结果与讨论  102-105
  6.3 本章小结  105-107
结论  107-110
参考文献  110-118
攻读硕士学位期间发表的论文  118-119
攻读硕士学位期间申请的专利及参与项目经历  119-120
致谢  120

陶瓷薄膜（涂层）材料力学性能评价技术研究

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