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磁控溅射工艺参数对DLC膜的综合摩擦学性能影响研究

作　者: 邬苏东
导　师: 王成彪；彭志坚
学　校: 中国地质大学（北京）
专　业: 机械设计及理论
关键词: DLC W-DLC 中频非平衡磁控溅射离子束结合磁控溅射
分类号: TN305.92
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

本文以工业化应用为出发点,以制备高性能掺杂类金刚石薄膜为目的,利用中频非平衡磁控溅射系统制备了类金刚石薄膜,研究了石墨靶功率和基体负偏压对类金刚石薄膜结构和性能的影响;采用离子源结合磁控溅射法制备了W掺杂类金刚石薄膜,研究了W靶电流对掺杂量及掺杂类金刚石薄膜结构和性能的影响,研究结果表明:(1)用中频非平衡磁控溅射制备的DLC薄膜,表面光滑,随着靶功率的增加,薄膜厚度略微呈增大趋势,但是随着负偏压的增加,沉积薄膜厚度减小;薄膜sp3键的含量随着靶功率的增加先增加后减小,在5-7 kw时具有较高的sp3键含量,随着负偏压的增加,薄膜sp3键的含量先增加后减小,在100 V条件下达到最大值;薄膜sp3键含量的这种变化导致薄膜的硬度和弹性模量随着靶功率和负偏压的增加呈相应的变化关系;临界载荷Lc随着靶功率的增加先增加后减小,在6 kw时达到最大,随着负偏压的增加也先增加后减小;所制备薄膜具有较小的摩擦系数和较好的抗磨损性能,在功率为7 kw下制备的薄膜摩擦学性能最好。(2)利用离子束结合磁控溅射技术在不同W靶电流条件下制备的W掺杂梯度复合DLC薄膜,具有较小的表面粗糙度,Ra值在0.00756～0.02057μm之间;随着W靶电流的增加,W的掺杂量逐渐增加,sp3键的含量逐渐降低;薄膜中存在WC1-x微晶,并且随着W靶电流的增加而增加;薄膜的纳米硬度和弹性模量随深度梯度变化,随着W靶电流的增加,薄膜的纳米硬度和弹性模量以及抗塑性参数H/E逐渐增加,纳米硬度值在12～28 GPa之间,弹性模量值在170～310 GPa之间;随着W靶电流的增加,高速钢基体上沉积的W-DLC薄膜的膜基结合力逐渐增加,并且均大于80N,当W靶电流为5A时,Lc值超过了100 N;在常规实验室条件下,以直径为φ6mm的Si3N4球为对磨副,在200 g、400 rmp的球-盘磨损中,制备薄膜的磨损为磨粒磨损,摩擦系数随W靶电流的增加逐渐增加,具有较小的磨损率,磨损率小于517.773 m3/s,并且随着W靶电流的增加,薄膜的磨损率逐渐减小。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
1 绪论  11-27
  1.1 课题背景和研究意义  11-12
  1.2 类金刚石的结构  12-14
  1.3 类金刚石的性能和应用  14-17
    1.3.1 机械性能及应用  14-15
    1.3.2 电学性能及应用  15-16
    1.3.3 光学性能及应用  16
    1.3.4 生物医学性能及应用  16-17
    1.3.5 其它性能及应用  17
  1.4 类金刚石的制备技术  17-23
    1.4.1 离子束沉积  18-19
    1.4.2 磁控溅射  19-22
    1.4.3 真空阴极电弧沉积  22-23
    1.4.4 等离子体增强化学气相沉积  23
  1.5 类金刚石薄膜改性  23-26
    1.5.1 多层膜技术  24-25
    1.5.2 掺杂技术  25-26
  1.6 本论文的研究内容  26-27
2 实验方案和分析方法  27-33
  2.1 实验设备  27-29
  2.2 实验方法  29-31
    2.2.1 基体准备  29
    2.2.2 DLC 薄膜制备工艺  29-30
    2.2.3 W-DLC 薄膜制备工艺  30-31
  2.3 薄膜表征  31-33
    2.3.1 表面形貌和厚度分析  31
    2.3.2 结构和成分分析  31-32
    2.3.3 力学性能分析  32
    2.3.4 摩擦学性能分析  32-33
3 DLC 薄膜的结构和性能  33-53
  3.1 DLC 薄膜的结构  33-38
    3.1.1 功率的影响  33-36
    3.1.2 负偏压的影响  36-38
  3.2 DLC 薄膜的形貌和厚度  38-45
    3.2.1 功率的影响  38-41
    3.2.2 负偏压的影响  41-45
  3.3 DLC 薄膜的力学性能  45-49
    3.3.1 功率的影响  45-47
    3.3.2 负偏压的影响  47-49
  3.4 DLC 薄膜的摩擦学性能  49-52
    3.4.1 功率的影响  49-51
    3.4.2 负偏压的影响  51-52
  3.5 本章小结  52-53
4 W-DLC 梯度复合薄膜的结构和性能  53-79
  4.1 W-DLC 梯度复合薄膜的成分和结构  53-68
    4.1.1 W-DLC 梯度复合薄膜的成分  53-59
    4.1.2 W-DLC 梯度复合薄膜的结构  59-68
  4.2 W-DLC 梯度复合薄膜的形貌  68-71
  4.3 W-DLC 梯度复合薄膜的力学性能  71-75
    4.3.1 纳米硬度和弹性模量  71-74
    4.3.2 膜基结合力  74-75
  4.4 W-DLC 梯度复合薄膜的摩擦学性能  75-78
    4.4.1 摩擦系数  75-76
    4.4.2 磨损率  76-77
    4.4.3 磨损机制  77-78
  4.5 本章小结  78-79
5 结论  79-81
致谢  81-82
参考文献  82-87
在学研究成果  87

磁控溅射工艺参数对DLC膜的综合摩擦学性能影响研究

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