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非晶碳类薄膜的多层结构设计及其机械性能的研究

作　者: 翟玉浩
导　师: 张玉娟
学　校: 河南大学
专　业: 材料学
关键词: 碳基薄膜多层薄膜机械性能摩擦学性能
分类号:
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

本论文主要制备了软硬交替沉积的DLC多层薄膜和nc-TiC/a-C:H纳米复合单层和多层薄膜，通过改变多层结构的调制周期和调制层软硬匹配，考察了其对碳基多层薄膜的微观结构和机械性能的影响。（1）采用磁控溅射的方法，通过控制沉积偏压改变调制层的模量和应力比制备了软硬交替沉积的DLC多层薄膜，并考察了调制层的改变对薄膜的硬度、韧性以及干摩擦和水环境下摩擦性能的影响。DLC多层薄膜的硬度并没出现多层强化效应，薄膜的韧性在-120/-160V时达到最大，相当于单层薄膜的两倍。和多层块体材料中断裂韧性与层间模量比之间的规律相反，薄膜的韧性与调制层的模量以及应力比成反比例。主要原因是低模量差距较小时，减弱了硬层的应力集中，避免了裂纹的萌生。不论在空气中还是水环境下多层薄膜的磨损率均只有单层薄膜的一半。对于多层薄膜来说，高的抗磨损率性和高的韧性是保持一致的，说明了薄膜韧性（包括裂纹的萌生和扩展）相比于只包括裂纹扩展的断裂韧性更适合评价薄膜的机械性能。（2）采用磁过滤阴极弧等离子沉积技术制备了nc-TiC/a-C:H纳米复合薄膜，通过控制通入的C₂H₂和Ar气的流量比改变薄膜的微观结构和机械性能。薄膜是由TiC的纳米晶和a-C:H非晶相组成，增加C₂H₂/Ar的流量比例，薄膜中的C含量增加，TiC的晶粒尺寸降低，薄膜中的sp3含量降低。当C₂H₂/Ar流量比为12时，薄膜的硬度最大30GPa，薄膜的摩擦学性能和硬度并没有直接的关系，仅与薄膜中的sp2含量有关，高含量的sp2有利于在摩擦过程中出现转移膜。随着C₂H₂/Ar增加，薄膜的内应力降低，膜基结合力得到相应的提高。（3）采用磁过滤阴极弧等离子体沉积技术制备了软硬交替沉积的nc-TiC/a-C:H多层薄膜，并考察了调制周期和软硬层匹配对薄膜结构和力学性能的影响。结果发现固定软硬层匹配，仅改变调制周期时，多层薄膜在调制层厚度为40nm时薄膜的内应力最低，调制周期过大或者过小都会导致内应力的升高。多层薄膜的磨损率随着调制周期的增加呈现先减小后增大的趋势，当调制层厚度为40nm时薄膜的磨损率最低。选择磨损率较低的调制层厚度20，40和60nm，仅改变软硬亚层的匹配，发现所沉积的薄膜不论在亚层厚度为20nm,40还是60nm，1-10/1-12样品的磨损率始终最低。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-29
  1.1 纳米多层膜的研究现状  11-17
    1.1.1 纳米多层膜的超硬现象及致硬机理  12-14
    1.1.2 多层薄膜材料韧性增强机制  14-17
  1.2 纳米复合薄膜  17-20
    1.2.1 纳米复合薄膜硬度的考察  17-19
    1.2.2 纳米复合薄膜韧性考察  19-20
  1.3 碳基硬质薄膜的研究现状  20-22
    1.3.1 类金刚石薄膜  20-21
    1.3.2 非晶碳膜的多层结构以及纳米复合  21-22
  1.4 非晶碳薄膜的制备方法  22-23
    1.4.1 磁控溅射  22-23
    1.4.2 阴极弧沉积  23
  1.5 论文的选题依据、研究思路和研究内容  23-25
    1.5.1 本课题的设计思想  23-24
    1.5.2 本课题的研究内容  24-25
  参考文献  25-29
第二章层间模量比对 DLC 多层薄膜的结构和力学性能的影响  29-43
  2.1 引言  29
  2.2 实验部分  29-31
    2.2.1 薄膜制备  29-30
    2.2.2 薄膜结构表征  30-31
  2.3 结果和讨论  31-40
    2.3.1 薄膜的价键和微观结构  31-33
    2.3.2 薄膜的硬度测试  33-34
    2.3.3 薄膜韧性的测试  34-35
    2.3.4 摩擦性能的测试  35-40
  2.4 本章小结  40-41
  参考文献  41-43
第三章 nc-TiC/a-C:H 纳米复合单层薄膜的制备及其机械性能的研究  43-55
  3.1 引言  43
  3.2 实验部分  43-44
    3.2.1 薄膜制备  43-44
    3.2.2 薄膜性能表征  44
  3.3 结果和讨论  44-51
    3.3.1 薄膜的化学组成和价键结构  44-47
    3.3.2 晶体结构分析  47-48
    3.3.3 薄膜的硬度测试  48
    3.3.4 薄膜的内应力测试  48-50
    3.3.5 薄膜的摩擦学  50-51
  3.4 本章小结  51-52
  参考文献  52-55
第四章 nc-TiC/a-C:H 纳米复合多层薄膜的制备及机械性能的研究  55-65
  4.1 引言  55-56
  4.2 实验部分  56-57
    4.2.1 薄膜制备  56-57
    4.2.2 薄膜性能表征  57
  4.3 结果与讨论  57-62
    4.3.1 薄膜的结构表征  57-58
    4.3.2 薄膜的内应力测试  58
    4.3.3 薄膜的摩擦学性能测试  58-62
  4.4 本章小结  62-63
  参考文献  63-65
第五章结论与展望  65-67
  5.1 主要结论  65-66
  5.2 进一步研究设想  66-67
硕士期间完成的论文  67-68
致谢  68-69

非晶碳类薄膜的多层结构设计及其机械性能的研究

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