zrwn复合膜的微观结构和性能研究(附件)【字数：14877】
摘 要摘 要采用JGP-450型多靶磁控溅射仪制备了一系列不同W含量的ZrWN复合膜。采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、摩擦磨损仪等实验仪器研究ZrWN复合膜的微结构，力学性能和摩擦性能。结果表明当W元素的含量为9.85at. %时，复合膜呈面心立方ZrWN结构；当W元素的含量为17.42 at.% ~20.2 at.%时，复合膜中出现面心立方W2N相，由面心立方ZrWN和面心立方W2N组成；当W元素的含量为28.64 at.%时，复合膜由面心立方ZrWN，面心立方W2N以及β-W单质组成。ZrWN复合膜的硬度随着W元素含量的增大先升高后降低，当W元素的含量为17.42 at.%时，ZrWN复合膜的硬度达到最大，其最大值为28.8 GPa。在室温条件下，ZrWN复合膜的摩擦系数随着W元素含量的升高先降低后升高，当W元素的含量为17.42 at.%时，ZrWN复合膜的摩擦系数最低，其最低值为0.61。关键词ZrWN 复合膜；微结构；力学性能；摩擦性能
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 引言 1
1.2 表面处理技术 2
1.2.1 表面处理技术的发展 2
1.2.2 薄膜的发展 2
1.2.2 薄膜的制备方法 3
1.3 薄膜的分类 5
1.3.1 本征硬质薄膜 5
1.3.2 纳米结构复合膜 5
1.3.3 纳米结构多层膜 6
1.4 摩擦与磨损 9
1.4.1 摩擦 9
1.4.2 磨损 11
1.5选题的意义及研究内容 12
1.5.1 选题意义 12
1.5.2 研究内容 12
第二章 薄膜的制备工艺及表征设备 13
2.1 薄膜的制备方法和实验设备 13
2.1.1 薄膜制备的基本原理 13
2.1.2 薄膜制备设备 13
2.1.3薄膜基体处理方法 14
2.2 薄膜的表征 14
2.2.1 X射线衍射 14
2.2.2扫描电子显微镜 15
2.2.3能谱仪 15
2.2.4纳 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
米力学测试系统 16
2.2.5摩擦磨损仪 16
第三章 实验及分析 18
3.1 引言 18
3.2 实验 18
3.2.1 薄膜的制备过程 18
3.2.2 复合薄膜的表征 18
3.3结果与讨论 19
3.3.1 复合膜的微结构 19
3.3.2 复合膜的硬度 21
3.3.3复合膜的摩擦性能 22
结 论 26
致 谢 27
参 考 文 献 28
第一章 绪 论
1.1 引言
众所周知，我国的制造业正蓬勃发展。制造业的发展与社会经济的发展和人们的生活密不可分。而随着现代社会的急速发展，科学技术的发展势头也越来越强劲。表面工程技术和制造业早已紧密相连，二者成为了一个不可分割的整体。表面工程技术不仅决定了工业发展的进程，而且对先进制造技术的发展起到了强有力的推进作用，也使工业改革得以顺利进行。在工业生产中，部分环节只涉及到材料的表面，所以对材料表面的性能有着极其严苛的要求。工业生产中使用到的切削刀具，必须要具有突出的耐磨性能和较高的硬度，以减少摩擦磨损[1,2]。但不能仅仅为了利用其表面性能就将高硬耐磨材料应用到刀具的整体，因为这会涉及到资源浪费这一层面。现如今，对纳米涂层技术的研究和应用越来越深入，此类材料表面发展技术中所面临的问题也正得到进一步解决。
切削刀具在现阶段所面临的最大的问题是，如何保证在高转速或高温等一些极端服役情况之下进行的切削加工的完成。如没有涂层的保护则刀具无法很好的达到使用要求，所以通过对刀具进行涂层处理，使刀具硬度上升，并增强其热稳定性能和化学性能[3,4]。刀具在切削过程中会发生失效的主要原因是在切削过程中产生了摩擦磨损，而刀具在发生磨损之后会使其表面粗糙度增加，伴随着工件加工时间的增长，加工工件时的准确性降低，工作温度的升高，进而严重影响刀具在生产过程中的生产效率，使得生产质量下降，生产成本增加。在我国，每年因摩擦磨损造成的经济损失巨大。所以减少摩擦磨损，最大程度上降低因其造成的经济损失，就成为了广大研究者们亟待解决的问题。要知道降低的巨额经济损失就相当于可观的经济效益。
在刀具表面制备硬质涂层时最常使用到的方法是气相沉积，而我们又可以将气相沉积分为物理气相沉积和化学气相沉积。但随着研究的持续深入以及其中制备工艺的不断完善，一些新的制备硬质涂层的方法也开始逐步走入人们的视线。当前，在国内制备刀具涂层时的最常用方法是物理气相沉积，因为其具有工艺温度低，工艺方案多样，污染小等诸多优点。近年来，随着薄膜体系的不断发展壮大。其中性能表现较为突出的过渡族金属氮化物陶瓷硬质薄膜，例如CrN[5,6] ，TiN[7,8]，NbN[[9,10] ，ZrN[11,12]基薄膜等，这类氮化物薄膜通常都具有高熔点，高硬度，化学性能佳等优点，因此引起了广大研究人员的关注[13]。为了满足当今持续发展的科学技术和制造业越来越严苛的要求，硬质薄膜正处于从较为简单的二元薄膜向相对复杂的多元复合膜发展的阶段，从单层膜向多层膜发展的阶段。
1.2 表面处理技术
1.2.1 表面处理技术的发展
表面处理技术[14]，指的是通过物理或化学等各类科学手段来改变材料的表面形貌、组成、微结构以及缺陷状态等使得材料抵抗严苛工作环境的能力增强，或者激发材料表面的某种功能特性的工艺技术。表面处理技术是当今材料科学研究领域内一个重要的的技术领域，其富含活力、前景光明并且充满希望，从而引起了众多学者的关注，也成为了研究的重点。表面处理技术从十九世纪八十年代开始发展至今，一共历经了三个发展阶段：
首先是第一阶段，就是单一表面处理技术阶段。其次是第二阶段，该阶段是在第一阶段的表面处理技术的基础上将传统的制备技术混合应用。这就填补了由于技术单一产生的短板，也使各种处理技术的优势得到了最大程度的发挥，并以此获得更佳的表面处理效果。最后是第三阶段，即纳米工艺表面技术，较为常见的技术是将气相沉积与其他制备技术相互融合。在该阶段使用到的原材料具有纳米结构特性，采用现代表面制备方法，在材料表面制备形成不仅具有纳米结构而且兼具其特性的表面层。这种纳米结构特性的表面层在拥有优良的光、电、磁、生物和化学等各个方面突出性能的同时也兼具高硬度、耐磨损、耐腐蚀和耐高温等结构特性。因此在我国经济的各个行业，甚至是军事国防领域都得到了广泛的应用。
1.2.2 薄膜的发展
纳米超硬薄膜作为表面处理技术工程发展过程中的重要阶段，经历了几十年的发展，已经由最初二十世纪八十年代的单一纳米单层膜发展到现如今的多元纳米复合膜以及纳米多层膜。其具体历程如下：
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 引言 1
1.2 表面处理技术 2
1.2.1 表面处理技术的发展 2
1.2.2 薄膜的发展 2
1.2.2 薄膜的制备方法 3
1.3 薄膜的分类 5
1.3.1 本征硬质薄膜 5
1.3.2 纳米结构复合膜 5
1.3.3 纳米结构多层膜 6
1.4 摩擦与磨损 9
1.4.1 摩擦 9
1.4.2 磨损 11
1.5选题的意义及研究内容 12
1.5.1 选题意义 12
1.5.2 研究内容 12
第二章 薄膜的制备工艺及表征设备 13
2.1 薄膜的制备方法和实验设备 13
2.1.1 薄膜制备的基本原理 13
2.1.2 薄膜制备设备 13
2.1.3薄膜基体处理方法 14
2.2 薄膜的表征 14
2.2.1 X射线衍射 14
2.2.2扫描电子显微镜 15
2.2.3能谱仪 15
2.2.4纳 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
米力学测试系统 16
2.2.5摩擦磨损仪 16
第三章 实验及分析 18
3.1 引言 18
3.2 实验 18
3.2.1 薄膜的制备过程 18
3.2.2 复合薄膜的表征 18
3.3结果与讨论 19
3.3.1 复合膜的微结构 19
3.3.2 复合膜的硬度 21
3.3.3复合膜的摩擦性能 22
结 论 26
致 谢 27
参 考 文 献 28
第一章 绪 论
1.1 引言
众所周知，我国的制造业正蓬勃发展。制造业的发展与社会经济的发展和人们的生活密不可分。而随着现代社会的急速发展，科学技术的发展势头也越来越强劲。表面工程技术和制造业早已紧密相连，二者成为了一个不可分割的整体。表面工程技术不仅决定了工业发展的进程，而且对先进制造技术的发展起到了强有力的推进作用，也使工业改革得以顺利进行。在工业生产中，部分环节只涉及到材料的表面，所以对材料表面的性能有着极其严苛的要求。工业生产中使用到的切削刀具，必须要具有突出的耐磨性能和较高的硬度，以减少摩擦磨损[1,2]。但不能仅仅为了利用其表面性能就将高硬耐磨材料应用到刀具的整体，因为这会涉及到资源浪费这一层面。现如今，对纳米涂层技术的研究和应用越来越深入，此类材料表面发展技术中所面临的问题也正得到进一步解决。
切削刀具在现阶段所面临的最大的问题是，如何保证在高转速或高温等一些极端服役情况之下进行的切削加工的完成。如没有涂层的保护则刀具无法很好的达到使用要求，所以通过对刀具进行涂层处理，使刀具硬度上升，并增强其热稳定性能和化学性能[3,4]。刀具在切削过程中会发生失效的主要原因是在切削过程中产生了摩擦磨损，而刀具在发生磨损之后会使其表面粗糙度增加，伴随着工件加工时间的增长，加工工件时的准确性降低，工作温度的升高，进而严重影响刀具在生产过程中的生产效率，使得生产质量下降，生产成本增加。在我国，每年因摩擦磨损造成的经济损失巨大。所以减少摩擦磨损，最大程度上降低因其造成的经济损失，就成为了广大研究者们亟待解决的问题。要知道降低的巨额经济损失就相当于可观的经济效益。
在刀具表面制备硬质涂层时最常使用到的方法是气相沉积，而我们又可以将气相沉积分为物理气相沉积和化学气相沉积。但随着研究的持续深入以及其中制备工艺的不断完善，一些新的制备硬质涂层的方法也开始逐步走入人们的视线。当前，在国内制备刀具涂层时的最常用方法是物理气相沉积，因为其具有工艺温度低，工艺方案多样，污染小等诸多优点。近年来，随着薄膜体系的不断发展壮大。其中性能表现较为突出的过渡族金属氮化物陶瓷硬质薄膜，例如CrN[5,6] ，TiN[7,8]，NbN[[9,10] ，ZrN[11,12]基薄膜等，这类氮化物薄膜通常都具有高熔点，高硬度，化学性能佳等优点，因此引起了广大研究人员的关注[13]。为了满足当今持续发展的科学技术和制造业越来越严苛的要求，硬质薄膜正处于从较为简单的二元薄膜向相对复杂的多元复合膜发展的阶段，从单层膜向多层膜发展的阶段。
1.2 表面处理技术
1.2.1 表面处理技术的发展
表面处理技术[14]，指的是通过物理或化学等各类科学手段来改变材料的表面形貌、组成、微结构以及缺陷状态等使得材料抵抗严苛工作环境的能力增强，或者激发材料表面的某种功能特性的工艺技术。表面处理技术是当今材料科学研究领域内一个重要的的技术领域，其富含活力、前景光明并且充满希望，从而引起了众多学者的关注，也成为了研究的重点。表面处理技术从十九世纪八十年代开始发展至今，一共历经了三个发展阶段：
首先是第一阶段，就是单一表面处理技术阶段。其次是第二阶段，该阶段是在第一阶段的表面处理技术的基础上将传统的制备技术混合应用。这就填补了由于技术单一产生的短板，也使各种处理技术的优势得到了最大程度的发挥，并以此获得更佳的表面处理效果。最后是第三阶段，即纳米工艺表面技术，较为常见的技术是将气相沉积与其他制备技术相互融合。在该阶段使用到的原材料具有纳米结构特性，采用现代表面制备方法，在材料表面制备形成不仅具有纳米结构而且兼具其特性的表面层。这种纳米结构特性的表面层在拥有优良的光、电、磁、生物和化学等各个方面突出性能的同时也兼具高硬度、耐磨损、耐腐蚀和耐高温等结构特性。因此在我国经济的各个行业，甚至是军事国防领域都得到了广泛的应用。
1.2.2 薄膜的发展
纳米超硬薄膜作为表面处理技术工程发展过程中的重要阶段，经历了几十年的发展，已经由最初二十世纪八十年代的单一纳米单层膜发展到现如今的多元纳米复合膜以及纳米多层膜。其具体历程如下：
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