纳米wmon复合薄膜室温蠕变性能研究(附件)【字数：11340】
摘 要摘 要随着现代制造业的快速发展，薄膜所发挥的作用越来越显著，普及程度越来越高，其强度和硬度均达到前所未有的水平，良性的循环促使人们对薄膜性能提出了更高的性能要求。室温蠕变是导致薄膜性能下降，甚至破坏薄膜的一种重要因素，科学和有效的掌握薄膜室温蠕变机制以及影响因素是保护薄膜的最佳方法。W作为一种耐高温材料，具有高熔点和高的硬度，其应用范围及其广泛。但其在高温下容易发生氧化反应，降低材料性能，Mo同样作为一种耐高温材料，与W结合形成化合物，其熔点、硬度、耐磨性，同时具有较强的抗氧化能力，WN中掺杂一定含量的Mo将有望形成更加稳定，高硬度和低耐磨系数，耐高温的复合薄膜。本文主要通过采用不同功率在磁控溅射仪上制备出W和Mo不同含量比的复合薄膜，并利用EDS和XRD等设备测定薄膜的成分，微观结构和晶粒尺度。实验表明在W靶功率固定的条件下，随着Mo靶功率的增加，薄膜中Mo含量逐渐增大。掺杂的Mo元素先与WN形成置换固溶体，达到饱和后过剩的Mo与N结合生成Mo2N。通过纳米压痕仪，采用恒载荷法在不同载荷下，测出薄膜的饱载时间与压入深度的关系，从而推导出WMoN复合薄膜室温蠕变规律，即在同等条件下，薄膜硬度随蠕变载荷的增加而增大，而蠕变应变速率敏感性则随着蠕变载荷的增大而减小。关键词纳米压痕、室温蠕变、WMoN复合薄膜
目 录
第一章绪论 1
1.1薄膜的概述 1
1.1.1薄膜的定义 1
1.1.2薄膜的特征 2
1.1.3薄膜的用途 2
1.2蠕变概述 3
1.2.1蠕变的现象及机理 3
1.2.2 蠕变的影响因素 6
1.3纳米压痕技术 6
1.3.1纳米压痕的测定原理 7
1.3.2纳米压痕对薄膜室温蠕变的研究状况 8
1.4本论文的选题意义 8
第二章薄膜的制备与表征方法 10
2.1 薄膜的制备方法 10
2.1.1 薄膜的制备方法 10
2.1.2 影响薄膜制备的主要因素 11
2.2 薄膜性能检测方法与设备 11
第三章 WMoN复合薄膜蠕变性能研究 14
3.1 WMoN复合 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
薄膜的制备 14
3.2 WMoN复合薄膜的表征 14
3.2.1 薄膜Mo成分的测定 14
3.2.2 WMoN复合薄膜的结构分析 15
3.2.3 薄膜晶粒尺寸与晶格常数确定 16
3.2.4 薄膜硬度的测定与分析 17
3.2.5 蠕变实验的选材 18
3.3 WMoN复合薄膜蠕变实验 19
3.3.1 WMoN复合薄膜加载过程 19
3.3.2 WMoN复合薄膜加载与压痕关系 19
3.3.3 WMoN复合薄膜饱载时间与蠕变关系 21
3.3.4 WMoN复合薄膜蠕变速率 23
3.3.5 WMoN复合薄膜不同饱载下的蠕变硬度 27
第四章总结 28
致谢 29
参考文献 30
第一章 绪论
1.1薄膜的概述
1.1.1薄膜的定义
薄膜的研究和发展在现代社会中所承担的角色越来越重要，将薄膜的研究成果转化成生产力并投入市场速度也越来越快，在薄膜领域尤其是复合薄膜领域的研究与生产的联系也变得越来越紧密。薄膜的研究和发展的同时也为电子光学和磁电子学等新兴学科的发展提供了科学材料基础知识，满足现代化生产需求的同时推动了其他产业的发展。
薄膜可定义：通过物理的、化学的、或者其他方法，在金属或陶瓷或基底表面形成一层具有一定厚度的，结构或成分不同于基体材料的且具有一定强度和韧性，并能很好保护基体材料的特殊覆盖成 [12]。薄膜从三维空间角度定义为：当固态物体的某一维线性尺度远小于其本身其他两个方向尺度时，这样的固态物质也被称为薄膜[3]。随着社会的进步，薄膜的存在方式也逐渐多样化，有非晶态的和单晶态的甚至还有多晶态的单质元素或化合物。现如今可以有很多种方式制备出薄膜，包括气相生成法、液相生成法、电度法、扩散法和氧化生成法等。
薄膜的分类也是多种多样的[4]：按薄膜的来源分，可分为天然膜和合成膜；按薄膜的使用途径分，可分为减磨耐磨膜、装饰膜、导电薄膜、磁性薄膜等；按薄膜的力学属性分，可分为脆性薄膜或韧性薄膜；按薄膜的几何形状和存在方式，可分为自由薄膜、部分约束薄膜、完全约束薄膜，如图11所示
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图11 薄膜存在的几种几何形状
1.1.2薄膜的特征
由于薄膜本身尺寸较小，单靠薄膜自身属性如硬度和强度等是无法满足生产生活要求的，因此薄膜一般需要紧紧粘附在各式各样的基底上，才能发挥其最佳功效。由于薄膜与基体之间相互接触，彼此影响甚至依赖，因而在薄膜和基底上存在很多结合性方面的问题，结构失效以及内应力等问题。与基体相比，薄膜的厚度显得非常小，并且由于制备时不可避免的带来外界环境的干扰，使得薄膜材料经常具有很多不同于基体材料的属性，主要有以下几个方面：
（1）薄膜小尺度效应：金属薄膜在微米和亚微米尺度下，其力学性能与常规的宏观尺度下性能存在显著地差异甚至相反。
（2）薄膜材料的表面能很大：当薄膜晶粒尺寸小到纳米级别时，不仅薄膜表面原子数量的增加，而且纳米晶粒的表面积和表面能也会相应的增大。揪其原因是处于表面的原子数较多，表面原子的受力不均衡处于非稳态，存储较高的能量 [56]。主要表现在外层表面原子在表面处缺少相邻原子，存在许多断键，处于非稳定状态，因此表面原子很容易与其他原子结合，因此表面具有很高的化学活性。
（3）薄膜材料通过适当途径，可制成复合薄膜：复合薄膜是具有多成分或多形态的薄膜，是将两种或两种以上的不同材料或相同材料的不同形态沉积在同一衬底上,使其在分子甚至原子层次上发生结合，以改善薄膜的性能。应用物理和化学方法薄均能获得各种复合薄膜[7]。
1.1.3薄膜的用途
进入21世纪以来，随着民众生活水平的提高，人们在满足进本生活需求意外，更加注重生活质量的提高。因此伴随而来的是人们对于物质质量更高水平要求，高价格与高质量的的产品不断涌现，为了更好的保护产品，延长高质量产品的使用寿命。人们开始探索和研究薄膜，希望通过薄膜可以显著提高产品强度、韧性、耐磨性等各项性能，甚至在不伤害产品的条件下，通过更换薄膜，延长产品使用时间，提高产品的利用率。
（1）保护薄膜作用：在基体表面通过添加薄膜，防止外界对产品伤害，从而对产品起到很好的保护作用。例如在深海作用的转井平台，由于支撑体积庞大的机械设备，并且长期浸泡在碱性极大的海水中，对于转井平台的使用材料不仅要求具有较高的强度、硬度和韧性，还需要拥有更加耐腐蚀的抵抗能力。为此，人们在研究出高性能的主题材料后，通过对主题添加保护膜，以此来提高其防腐蚀能力。
目 录
第一章绪论 1
1.1薄膜的概述 1
1.1.1薄膜的定义 1
1.1.2薄膜的特征 2
1.1.3薄膜的用途 2
1.2蠕变概述 3
1.2.1蠕变的现象及机理 3
1.2.2 蠕变的影响因素 6
1.3纳米压痕技术 6
1.3.1纳米压痕的测定原理 7
1.3.2纳米压痕对薄膜室温蠕变的研究状况 8
1.4本论文的选题意义 8
第二章薄膜的制备与表征方法 10
2.1 薄膜的制备方法 10
2.1.1 薄膜的制备方法 10
2.1.2 影响薄膜制备的主要因素 11
2.2 薄膜性能检测方法与设备 11
第三章 WMoN复合薄膜蠕变性能研究 14
3.1 WMoN复合 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
薄膜的制备 14
3.2 WMoN复合薄膜的表征 14
3.2.1 薄膜Mo成分的测定 14
3.2.2 WMoN复合薄膜的结构分析 15
3.2.3 薄膜晶粒尺寸与晶格常数确定 16
3.2.4 薄膜硬度的测定与分析 17
3.2.5 蠕变实验的选材 18
3.3 WMoN复合薄膜蠕变实验 19
3.3.1 WMoN复合薄膜加载过程 19
3.3.2 WMoN复合薄膜加载与压痕关系 19
3.3.3 WMoN复合薄膜饱载时间与蠕变关系 21
3.3.4 WMoN复合薄膜蠕变速率 23
3.3.5 WMoN复合薄膜不同饱载下的蠕变硬度 27
第四章总结 28
致谢 29
参考文献 30
第一章 绪论
1.1薄膜的概述
1.1.1薄膜的定义
薄膜的研究和发展在现代社会中所承担的角色越来越重要，将薄膜的研究成果转化成生产力并投入市场速度也越来越快，在薄膜领域尤其是复合薄膜领域的研究与生产的联系也变得越来越紧密。薄膜的研究和发展的同时也为电子光学和磁电子学等新兴学科的发展提供了科学材料基础知识，满足现代化生产需求的同时推动了其他产业的发展。
薄膜可定义：通过物理的、化学的、或者其他方法，在金属或陶瓷或基底表面形成一层具有一定厚度的，结构或成分不同于基体材料的且具有一定强度和韧性，并能很好保护基体材料的特殊覆盖成 [12]。薄膜从三维空间角度定义为：当固态物体的某一维线性尺度远小于其本身其他两个方向尺度时，这样的固态物质也被称为薄膜[3]。随着社会的进步，薄膜的存在方式也逐渐多样化，有非晶态的和单晶态的甚至还有多晶态的单质元素或化合物。现如今可以有很多种方式制备出薄膜，包括气相生成法、液相生成法、电度法、扩散法和氧化生成法等。
薄膜的分类也是多种多样的[4]：按薄膜的来源分，可分为天然膜和合成膜；按薄膜的使用途径分，可分为减磨耐磨膜、装饰膜、导电薄膜、磁性薄膜等；按薄膜的力学属性分，可分为脆性薄膜或韧性薄膜；按薄膜的几何形状和存在方式，可分为自由薄膜、部分约束薄膜、完全约束薄膜，如图11所示
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图11 薄膜存在的几种几何形状
1.1.2薄膜的特征
由于薄膜本身尺寸较小，单靠薄膜自身属性如硬度和强度等是无法满足生产生活要求的，因此薄膜一般需要紧紧粘附在各式各样的基底上，才能发挥其最佳功效。由于薄膜与基体之间相互接触，彼此影响甚至依赖，因而在薄膜和基底上存在很多结合性方面的问题，结构失效以及内应力等问题。与基体相比，薄膜的厚度显得非常小，并且由于制备时不可避免的带来外界环境的干扰，使得薄膜材料经常具有很多不同于基体材料的属性，主要有以下几个方面：
（1）薄膜小尺度效应：金属薄膜在微米和亚微米尺度下，其力学性能与常规的宏观尺度下性能存在显著地差异甚至相反。
（2）薄膜材料的表面能很大：当薄膜晶粒尺寸小到纳米级别时，不仅薄膜表面原子数量的增加，而且纳米晶粒的表面积和表面能也会相应的增大。揪其原因是处于表面的原子数较多，表面原子的受力不均衡处于非稳态，存储较高的能量 [56]。主要表现在外层表面原子在表面处缺少相邻原子，存在许多断键，处于非稳定状态，因此表面原子很容易与其他原子结合，因此表面具有很高的化学活性。
（3）薄膜材料通过适当途径，可制成复合薄膜：复合薄膜是具有多成分或多形态的薄膜，是将两种或两种以上的不同材料或相同材料的不同形态沉积在同一衬底上,使其在分子甚至原子层次上发生结合，以改善薄膜的性能。应用物理和化学方法薄均能获得各种复合薄膜[7]。
1.1.3薄膜的用途
进入21世纪以来，随着民众生活水平的提高，人们在满足进本生活需求意外，更加注重生活质量的提高。因此伴随而来的是人们对于物质质量更高水平要求，高价格与高质量的的产品不断涌现，为了更好的保护产品，延长高质量产品的使用寿命。人们开始探索和研究薄膜，希望通过薄膜可以显著提高产品强度、韧性、耐磨性等各项性能，甚至在不伤害产品的条件下，通过更换薄膜，延长产品使用时间，提高产品的利用率。
（1）保护薄膜作用：在基体表面通过添加薄膜，防止外界对产品伤害，从而对产品起到很好的保护作用。例如在深海作用的转井平台，由于支撑体积庞大的机械设备，并且长期浸泡在碱性极大的海水中，对于转井平台的使用材料不仅要求具有较高的强度、硬度和韧性，还需要拥有更加耐腐蚀的抵抗能力。为此，人们在研究出高性能的主题材料后，通过对主题添加保护膜，以此来提高其防腐蚀能力。
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