电弧离子镀dlc薄膜制备及性能研究studyonpreparationandpropertiesofdlcfilmsby
摘 要摘 要类金刚石薄膜（DLC）因其低摩擦系数、高硬度和耐磨性好等摩擦学性能对于切削行业非常重要。在本文中，采用了脉冲电弧离子镀（AIP）技术沉积在高速钢W6Mo5Cr4V2Co5基体上沉积了DLC薄膜。并同时通过对基体进行渗氮预处理来研究渗氮对DLC涂层性能的影响。通过SEM，EDS和XRD对DLC薄膜的表面形貌、组成、结构和性能进行分析。通过洛氏压痕和纳米压痕实验进行薄膜力学性能测试。通过室温圆周往复磨损试验对薄膜的抗磨损性能加以分析。同时使用电化学工作站测试薄膜的耐腐蚀性能。结果表明，基材是否渗氮对DLC薄膜的表面形貌、薄膜厚度、硬度和弹性模量没有明显影响；通过渗氮处理的基体比未渗氮处理的基体，表现出更好的耐磨性和膜基结合力的提高。但其耐蚀性弱于未渗氮试样。关键词电弧离子镀；DLC薄膜；渗氮技术
目 录
第一章 绪论 1
1.1 类金刚石薄膜概述 1
1.1.1 类金刚石薄膜的研究 1
1.1.2 类金刚石薄膜的研究现状与发展 1
1.1.3 类金刚石薄膜的分类 3
1.1.4 类金刚石薄膜的结构与性能 3
1.1.5 类金刚石薄膜的性能 4
1.1.6 类金刚石薄膜的应用 6
1.2 电弧离子镀 7
1.2.1 电弧离子镀的发展 7
1.2.2 电弧离子镀的原理 7
1.2.3 电弧离子镀的特点 7
1.3 摩擦磨损理论研究 7
1.3.1 摩擦理论 7
1.3.2 影响摩擦的因素 8
1.3.3 磨损分类 10
1.4 选题意义与研究内容 11
1.4.1 选题意义 11
1.4.2 研究内容 11
第二章 实验方法及原理 12
2.1 基体选择和预处理 12
2.1.1 基体选择 12
2.1.2 预处理 12
2.2 类金刚石薄膜的制备 12
2.3 分析方法及原理 13
2.3.1 扫描电镜 13
2.3.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
X射线衍射仪 13
2.3.3 球磨法 13
2.3.4 纳米压痕技术 14
2.3.5 洛氏硬度 14
2.3.6 摩擦磨损仪 15
2.3.7 三维轮廓仪 15
2.3.8 电化学腐蚀 15
第三章 实验结果及分析 16
3.1 类金刚石薄膜的表征 16
3.1.1 类金刚石薄膜的表面形貌 16
3.1.2 类金刚石薄膜的厚度及截面成分分布 16
3.1.3 类金刚石薄膜的相成分和晶体结构 18
3.2 类金刚石薄膜的力学性能 19
3.2.1 类金刚石薄膜的硬度和弹性模量 19
3.2.2 类金刚石薄膜的膜基结合力 19
3.3 类金刚石薄膜的摩擦磨损性能 20
3.3.1 类金刚石薄膜的摩擦系数与距离关系 20
3.3.2 类金刚石薄膜磨损后的形貌 21
3.4 类金刚石薄膜的电化学腐蚀 22
结 论 24
致 谢 25
参 考 文 献 26
第一章 绪论
1.1 类金刚石薄膜概述
类金刚石薄膜（diamondlike carbon）简称DLC薄膜，是一种非晶态碳膜。因其有类似金刚石并且有特殊的摩擦学性质得名。类金刚石薄膜主要是由碳的3种同素异形体构成，即无定形碳（sp1）、石墨（sp2）、金刚石（sp3）。类金刚石薄膜中主要以sp2和sp3的杂化共价键为主。正因为有着和金刚石相似的物理化学和机械性能，如高硬度、高弹性模量、优良的耐磨性、低摩擦因数和化学惰性等。
因为类金刚石薄膜的优异性能，使其能够胜任一些切削有色金属的刀头镀层，并在一些机械机构作为关键不见得减磨镀层等等。这些使用价值和材料科学的魅力，驱使着科研人员对类金刚石薄膜进一步的研究和发展。
1.1.1 类金刚石薄膜的研究
1971年Aisenberg和Chabot首先报道了他们以碳弧源粒子束沉积技术在室温条件下获得了一种物理化学性能接近或类似于金刚石的微晶区，他们称这种硬质碳膜为类金刚石碳（DLC）膜[1]。随着研究的深入，人们对类金刚石薄膜的认知越来越充分，对其沉积面积大，沉积温度低、沉积速度快、沉积表面光滑平整均匀性好并可以在金属或非金属材料上进行沉积等优良性质所吸引。优良的力学、热力学、电学和光学等特性使其在工业生产中得到广泛应用。
1.1.2 类金刚石薄膜的研究现状与发展
自1971年类金刚石薄膜被发现并研究。在随后的科研工作这对类金刚石薄膜的结构和性质进行探索。1976年Spencer等人对类金刚石薄膜的结构进行了探究，确定了类金刚石薄膜中碳系结晶种类数目。
伴随着研究的深入类金刚石薄膜的一些短板也逐渐浮现出来，人们开始对类金刚石的改性进行实验以获得更好的机械性能。经研究发现类金刚石薄膜是一种处于亚稳态的非晶态碳膜，其热稳定较差。高温或特定环境介质下，类金刚石薄膜会向石墨进行转变。类金刚石薄膜的高硬度为人们喜爱，但同时也带来了膜基结合力较差。类金刚石薄膜的硬度远远高于基体硬度，造成薄膜与基材间附着力下降。类金刚石薄膜自身存在着较高的内应力，在使用过程中容易产生裂纹造成使用寿命的下降。类金刚石薄膜上存在一定数量的大直的径碳系结晶，而使用中往往从这些大直径的碳系结晶处剥离，最终造成薄膜崩裂导致使用寿命下降。这些种种缺陷，正是科研工作人员对类金刚石薄膜的热点研究方向。通过各种手段方法对类金刚石薄膜进行改性，使其更加符合生产要求。
国内外的研究人员对类金刚石薄膜进行了一系列的研究与实验，并获得了一下一些研究成果：
谷坤明等人[2]研究采用ECR微波等离子体增强化学气相沉积的方法于C2H2/H2/Ar2等离子环境中在单晶Si(111)晶面上制备了不同厚度的DLC膜样品对DLC薄膜的内应力进行研究得出DLC膜内应力先随厚度增加而增加，但超过某一临近值后会通过表面崩裂进行缓解，也得出了通过表面崩裂使薄膜内应力总体维持在某一个水平。
兰惠清等人[3]以甲苯(C7H8)和四甲基硅烷(Si(CH3)4)的混合气体为反应气源,使用离子气相沉积技术制备了不同Si含量(原子比)(不超过20%)的掺硅类金刚石(SiDLC)薄膜研究了该薄膜加入Si薄膜的硬度、摩擦系数、磨痕和转移膜的元素发生变化的结果，得出以下结论(1)通过纳米压痕技术发现添加少量Si可以提高SiDLC薄膜的硬度,但是随着Si含量的进一步增加,薄膜的硬度减少；对面薄膜的相成分发现Si促进转移膜的增加和石墨化两者共同作用产生低摩擦系数。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 类金刚石薄膜概述 1
1.1.1 类金刚石薄膜的研究 1
1.1.2 类金刚石薄膜的研究现状与发展 1
1.1.3 类金刚石薄膜的分类 3
1.1.4 类金刚石薄膜的结构与性能 3
1.1.5 类金刚石薄膜的性能 4
1.1.6 类金刚石薄膜的应用 6
1.2 电弧离子镀 7
1.2.1 电弧离子镀的发展 7
1.2.2 电弧离子镀的原理 7
1.2.3 电弧离子镀的特点 7
1.3 摩擦磨损理论研究 7
1.3.1 摩擦理论 7
1.3.2 影响摩擦的因素 8
1.3.3 磨损分类 10
1.4 选题意义与研究内容 11
1.4.1 选题意义 11
1.4.2 研究内容 11
第二章 实验方法及原理 12
2.1 基体选择和预处理 12
2.1.1 基体选择 12
2.1.2 预处理 12
2.2 类金刚石薄膜的制备 12
2.3 分析方法及原理 13
2.3.1 扫描电镜 13
2.3.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
X射线衍射仪 13
2.3.3 球磨法 13
2.3.4 纳米压痕技术 14
2.3.5 洛氏硬度 14
2.3.6 摩擦磨损仪 15
2.3.7 三维轮廓仪 15
2.3.8 电化学腐蚀 15
第三章 实验结果及分析 16
3.1 类金刚石薄膜的表征 16
3.1.1 类金刚石薄膜的表面形貌 16
3.1.2 类金刚石薄膜的厚度及截面成分分布 16
3.1.3 类金刚石薄膜的相成分和晶体结构 18
3.2 类金刚石薄膜的力学性能 19
3.2.1 类金刚石薄膜的硬度和弹性模量 19
3.2.2 类金刚石薄膜的膜基结合力 19
3.3 类金刚石薄膜的摩擦磨损性能 20
3.3.1 类金刚石薄膜的摩擦系数与距离关系 20
3.3.2 类金刚石薄膜磨损后的形貌 21
3.4 类金刚石薄膜的电化学腐蚀 22
结 论 24
致 谢 25
参 考 文 献 26
第一章 绪论
1.1 类金刚石薄膜概述
类金刚石薄膜（diamondlike carbon）简称DLC薄膜，是一种非晶态碳膜。因其有类似金刚石并且有特殊的摩擦学性质得名。类金刚石薄膜主要是由碳的3种同素异形体构成，即无定形碳（sp1）、石墨（sp2）、金刚石（sp3）。类金刚石薄膜中主要以sp2和sp3的杂化共价键为主。正因为有着和金刚石相似的物理化学和机械性能，如高硬度、高弹性模量、优良的耐磨性、低摩擦因数和化学惰性等。
因为类金刚石薄膜的优异性能，使其能够胜任一些切削有色金属的刀头镀层，并在一些机械机构作为关键不见得减磨镀层等等。这些使用价值和材料科学的魅力，驱使着科研人员对类金刚石薄膜进一步的研究和发展。
1.1.1 类金刚石薄膜的研究
1971年Aisenberg和Chabot首先报道了他们以碳弧源粒子束沉积技术在室温条件下获得了一种物理化学性能接近或类似于金刚石的微晶区，他们称这种硬质碳膜为类金刚石碳（DLC）膜[1]。随着研究的深入，人们对类金刚石薄膜的认知越来越充分，对其沉积面积大，沉积温度低、沉积速度快、沉积表面光滑平整均匀性好并可以在金属或非金属材料上进行沉积等优良性质所吸引。优良的力学、热力学、电学和光学等特性使其在工业生产中得到广泛应用。
1.1.2 类金刚石薄膜的研究现状与发展
自1971年类金刚石薄膜被发现并研究。在随后的科研工作这对类金刚石薄膜的结构和性质进行探索。1976年Spencer等人对类金刚石薄膜的结构进行了探究，确定了类金刚石薄膜中碳系结晶种类数目。
伴随着研究的深入类金刚石薄膜的一些短板也逐渐浮现出来，人们开始对类金刚石的改性进行实验以获得更好的机械性能。经研究发现类金刚石薄膜是一种处于亚稳态的非晶态碳膜，其热稳定较差。高温或特定环境介质下，类金刚石薄膜会向石墨进行转变。类金刚石薄膜的高硬度为人们喜爱，但同时也带来了膜基结合力较差。类金刚石薄膜的硬度远远高于基体硬度，造成薄膜与基材间附着力下降。类金刚石薄膜自身存在着较高的内应力，在使用过程中容易产生裂纹造成使用寿命的下降。类金刚石薄膜上存在一定数量的大直的径碳系结晶，而使用中往往从这些大直径的碳系结晶处剥离，最终造成薄膜崩裂导致使用寿命下降。这些种种缺陷，正是科研工作人员对类金刚石薄膜的热点研究方向。通过各种手段方法对类金刚石薄膜进行改性，使其更加符合生产要求。
国内外的研究人员对类金刚石薄膜进行了一系列的研究与实验，并获得了一下一些研究成果：
谷坤明等人[2]研究采用ECR微波等离子体增强化学气相沉积的方法于C2H2/H2/Ar2等离子环境中在单晶Si(111)晶面上制备了不同厚度的DLC膜样品对DLC薄膜的内应力进行研究得出DLC膜内应力先随厚度增加而增加，但超过某一临近值后会通过表面崩裂进行缓解，也得出了通过表面崩裂使薄膜内应力总体维持在某一个水平。
兰惠清等人[3]以甲苯(C7H8)和四甲基硅烷(Si(CH3)4)的混合气体为反应气源,使用离子气相沉积技术制备了不同Si含量(原子比)(不超过20%)的掺硅类金刚石(SiDLC)薄膜研究了该薄膜加入Si薄膜的硬度、摩擦系数、磨痕和转移膜的元素发生变化的结果，得出以下结论(1)通过纳米压痕技术发现添加少量Si可以提高SiDLC薄膜的硬度,但是随着Si含量的进一步增加,薄膜的硬度减少；对面薄膜的相成分发现Si促进转移膜的增加和石墨化两者共同作用产生低摩擦系数。
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