w元素对tin薄膜的力学性能及摩擦磨损性能的影响(附件)【字数：14735】
摘 要摘 要本文实验均采用JGP-450型多靶磁控溅射仪制备一系列不同 W 含量的 TiWN 复合膜。利用 X 射线衍射仪、扫描电镜、摩擦磨损仪等实验仪器对 TiWN 复合膜的微结构，力学性能和摩擦性能进行研究。实验结果表明TiWN复合薄膜是面心立方结构，薄膜沿TiWN(111)方向择优生长。在W元素含量高于15.01%时，开始出现了Ti2N相，并随着W元素含量的增加，Ti2N相的含量也增多；当W靶功率逐渐增大，W含量达到26.55%，W元素出现饱和，产生了单质相β-W。TiN薄膜的硬度为20.18GPa，并随着W元素含量增加的先增加后减少，在0~20%时，TiWN薄膜的硬度逐渐增加，在W含量为20%达到最大值，为35 GPa，在W元素含量大于20%时，硬度下降。在TiN薄膜中加入W元素能够加强薄膜与基体的结合力。随着W含量的增加，膜基结合力先增加后降低，但都是要比TiN薄膜的结合力要好。在W含量为8.82%时，膜基之间的结合力最强。TiWN复合薄膜的常温摩擦系数随着W元素含量的增加先减小后增加，TiN薄膜的摩擦系数为0.75， W含量在0~20%之间，随着W元素含量的增加摩擦系数逐渐减小，20%时摩擦系数最小值为0.45，这是由于具有润滑作用的WO3的含量在升高导致的；而W含量在高于20%时，由于薄膜的硬度在下降，薄膜的摩擦系数变大，W元素含量26.55%时，摩擦系数为0.51。关键词磁控溅射；TiWN复合薄膜；力学性能；摩擦磨损性能
目 录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 表面涂层技术的研究现状与进展 1
1.3 硬质薄膜的研究和进展 2
1.4 纳米复合膜 3
1.4.1 纳米复合薄膜的研究进展 3
1.4.2 纳米复合膜的致硬机理 3
1.5 薄膜摩擦磨损理论研究现状 4
1.5.1 摩擦理论 4
1.5.2 影响摩擦的因素 5
1.5.3 磨损 7
1.6 选题意义与研究内容 8
1.6.1 选题意义 8
1.6.2 研究内容 8
第二章 纳米复合薄膜的制备与表征 10
2.1 引言 10
2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
.2 薄膜的制备方法与实验设备 10
2.2.1 纳米复合膜的制备方法 10
2.2.2 薄膜制备的基本原理 11
2.2.3 薄膜制备的设备 12
2.3 薄膜的表征设备 12
第三章 实验及分析 15
3.1 实验 15
3.1.1 薄膜的制备过程 15
3.1.2 复合薄膜的表征 16
3.2 实验结果与讨论 16
3.2.1 微结构 16
3.2.2 显微硬度 19
3.2.3膜基结合力 20
3.2.4 室温摩擦磨损性能 23
结 论 27
致 谢 28
参 考 文 献 29
第一章 绪论
1.1 引言
制造业是我国国民经济的核心产业，制造业的蓬勃发展和优化升级，是实现国家从制造大国转变为制造强国最关键的一步。而现代机械加工技术的发展、优化和升级对于制造业的发展又是起到核心的一步。在科学技术发展迅速的21世纪，表面工程技术成为了制造业重要部分，也成为工业发展的关键技术，既加速推进了先进制造技术的发展，也为传统工业改革升级提供了技术支持。据有关报道，在我们国家，由于摩擦磨损所造成的经济损失就达到400亿元以上,如果运用表面技术来改善润滑技术，从而降低的机械磨损等措施来进行综合改进，这也就变向的带来巨大经济效益。据估算，这部分效益约占国民经济总产值的2%以上。在制造业中，加工使用的工具的性能好坏直接影响到材料加工时的效率和成本。表面涂层技术的出现和发展显得尤为重要[5]。表面技术是指运用一些科学方法在材料表面涂上一层具有特殊功能材料，使得材料既拥有本来的性能，材料表面又可以有某种特殊的功能，来满足材料所需的特殊要求。在现代制造业中，加工使用的刀具要求拥有耐高温、耐磨损抗氧化性的性能。运用表面涂层技术改变加工工具材料性能是现在主要的方法[3~4]，它可以在加工刀具上制备各种特殊功能的表面涂层，而且是用少量的材料就可以达到巨大的变化，这样就可以大大降低了产品的加工成本。
实验研究表明，纳米级的涂层沉积在一些工具基体上，也能够显著改善材料表面的性能，如在加工的刀具表面通过表面技术涂上一层硬质薄膜，刀具既有原来的强度又有低的摩擦系数，这就提高了刀具的使用效率，也能延长刀具的使用寿命。
目前，涂层研究者们在探求新的硬质涂层和改进硬质涂层性能方面取得了重大进步，但在极端条件下薄膜的服役性能不佳，智能自适纳米复合涂层是很好的处理这些问题，智能自适纳米复合涂层的研究是薄膜研究的主要方向。
1.2 表面涂层技术的研究现状与进展
表面涂层技术[2]起源于十九世纪八十年代，是一种运用一些科学方法在材料表面涂上一层拥有特殊功能的材料来改变材料整体的属性，从而达到了各种技术及服役环境对材料的特殊要求。传统的表面技术主要包括气相沉积技术（PVD 和CVD）技术、热喷涂技术、激光熔覆技术等。这些表面涂层技术的出现使得表面技术得到了广泛的运用[10]。表面涂层技术不仅是涉及材料学科，随着表面技术的推广，涂层技术越来越多的与其他学科交叉。它既是最活跃、最先进的材料类领域技术，也是表面处理与涂层技术的交叉学科[5]
表面涂层技术能够在材料表面加上一层特殊功能的材料，改变材料的抗氧化性，摩擦磨损率等。这些显著的优势在汽车领域、航空航天、半导体工业和机械工程等众多领域迅速普及而且得到广泛应用。表面涂层技术具有巨大的发展前景：首先表面涂层技术运用于各个领域，与工业生产，生活息息相关；然后是表面涂层技术符合当前的绿色发展趋势，有好的前景，最后是表面涂层技术能够减少机械设备零部件的磨损，腐蚀和疲劳断裂，有利于降低成本，并能够提高产品的综合性能，带来更高的经济效益[1]。
1.3 硬质薄膜的研究和进展
一般情况，我们把表面涂层厚度高于几十个微米的涂层称为硬质涂层，而涂层厚度在 几十个微米以下的涂层称为硬质薄膜。当硬质薄膜的硬度超过40GPa时就称为超硬薄膜[7]。硬质薄膜有着很好的运用前景，这也引起了研究者们的热切关注。最早在二十世纪八十年代，单一组元的薄膜开始发现，其中TiN薄膜最先开始运用并在切削工具上得到广泛运用。随着科学技术的发展，薄膜逐渐向多组元和多结构方向发展。薄膜的研究与发展一共经历了四代：
（1）第一代薄膜：只有一种组元的薄膜，早期学者主要是从简单的氮化物和碳化物开始探索，研究发现了TiN薄膜硬度高和摩擦系数低，ZrN薄膜高硬度、低摩擦系数和低的磨损率等好的综合性能。如目前氮化钛（TiN）和ZrN薄膜在制造业刀具上已得到广泛应用的。之后又有很多单一组元的薄膜被发现；
目 录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 表面涂层技术的研究现状与进展 1
1.3 硬质薄膜的研究和进展 2
1.4 纳米复合膜 3
1.4.1 纳米复合薄膜的研究进展 3
1.4.2 纳米复合膜的致硬机理 3
1.5 薄膜摩擦磨损理论研究现状 4
1.5.1 摩擦理论 4
1.5.2 影响摩擦的因素 5
1.5.3 磨损 7
1.6 选题意义与研究内容 8
1.6.1 选题意义 8
1.6.2 研究内容 8
第二章 纳米复合薄膜的制备与表征 10
2.1 引言 10
2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
.2 薄膜的制备方法与实验设备 10
2.2.1 纳米复合膜的制备方法 10
2.2.2 薄膜制备的基本原理 11
2.2.3 薄膜制备的设备 12
2.3 薄膜的表征设备 12
第三章 实验及分析 15
3.1 实验 15
3.1.1 薄膜的制备过程 15
3.1.2 复合薄膜的表征 16
3.2 实验结果与讨论 16
3.2.1 微结构 16
3.2.2 显微硬度 19
3.2.3膜基结合力 20
3.2.4 室温摩擦磨损性能 23
结 论 27
致 谢 28
参 考 文 献 29
第一章 绪论
1.1 引言
制造业是我国国民经济的核心产业，制造业的蓬勃发展和优化升级，是实现国家从制造大国转变为制造强国最关键的一步。而现代机械加工技术的发展、优化和升级对于制造业的发展又是起到核心的一步。在科学技术发展迅速的21世纪，表面工程技术成为了制造业重要部分，也成为工业发展的关键技术，既加速推进了先进制造技术的发展，也为传统工业改革升级提供了技术支持。据有关报道，在我们国家，由于摩擦磨损所造成的经济损失就达到400亿元以上,如果运用表面技术来改善润滑技术，从而降低的机械磨损等措施来进行综合改进，这也就变向的带来巨大经济效益。据估算，这部分效益约占国民经济总产值的2%以上。在制造业中，加工使用的工具的性能好坏直接影响到材料加工时的效率和成本。表面涂层技术的出现和发展显得尤为重要[5]。表面技术是指运用一些科学方法在材料表面涂上一层具有特殊功能材料，使得材料既拥有本来的性能，材料表面又可以有某种特殊的功能，来满足材料所需的特殊要求。在现代制造业中，加工使用的刀具要求拥有耐高温、耐磨损抗氧化性的性能。运用表面涂层技术改变加工工具材料性能是现在主要的方法[3~4]，它可以在加工刀具上制备各种特殊功能的表面涂层，而且是用少量的材料就可以达到巨大的变化，这样就可以大大降低了产品的加工成本。
实验研究表明，纳米级的涂层沉积在一些工具基体上，也能够显著改善材料表面的性能，如在加工的刀具表面通过表面技术涂上一层硬质薄膜，刀具既有原来的强度又有低的摩擦系数，这就提高了刀具的使用效率，也能延长刀具的使用寿命。
目前，涂层研究者们在探求新的硬质涂层和改进硬质涂层性能方面取得了重大进步，但在极端条件下薄膜的服役性能不佳，智能自适纳米复合涂层是很好的处理这些问题，智能自适纳米复合涂层的研究是薄膜研究的主要方向。
1.2 表面涂层技术的研究现状与进展
表面涂层技术[2]起源于十九世纪八十年代，是一种运用一些科学方法在材料表面涂上一层拥有特殊功能的材料来改变材料整体的属性，从而达到了各种技术及服役环境对材料的特殊要求。传统的表面技术主要包括气相沉积技术（PVD 和CVD）技术、热喷涂技术、激光熔覆技术等。这些表面涂层技术的出现使得表面技术得到了广泛的运用[10]。表面涂层技术不仅是涉及材料学科，随着表面技术的推广，涂层技术越来越多的与其他学科交叉。它既是最活跃、最先进的材料类领域技术，也是表面处理与涂层技术的交叉学科[5]
表面涂层技术能够在材料表面加上一层特殊功能的材料，改变材料的抗氧化性，摩擦磨损率等。这些显著的优势在汽车领域、航空航天、半导体工业和机械工程等众多领域迅速普及而且得到广泛应用。表面涂层技术具有巨大的发展前景：首先表面涂层技术运用于各个领域，与工业生产，生活息息相关；然后是表面涂层技术符合当前的绿色发展趋势，有好的前景，最后是表面涂层技术能够减少机械设备零部件的磨损，腐蚀和疲劳断裂，有利于降低成本，并能够提高产品的综合性能，带来更高的经济效益[1]。
1.3 硬质薄膜的研究和进展
一般情况，我们把表面涂层厚度高于几十个微米的涂层称为硬质涂层，而涂层厚度在 几十个微米以下的涂层称为硬质薄膜。当硬质薄膜的硬度超过40GPa时就称为超硬薄膜[7]。硬质薄膜有着很好的运用前景，这也引起了研究者们的热切关注。最早在二十世纪八十年代，单一组元的薄膜开始发现，其中TiN薄膜最先开始运用并在切削工具上得到广泛运用。随着科学技术的发展，薄膜逐渐向多组元和多结构方向发展。薄膜的研究与发展一共经历了四代：
（1）第一代薄膜：只有一种组元的薄膜，早期学者主要是从简单的氮化物和碳化物开始探索，研究发现了TiN薄膜硬度高和摩擦系数低，ZrN薄膜高硬度、低摩擦系数和低的磨损率等好的综合性能。如目前氮化钛（TiN）和ZrN薄膜在制造业刀具上已得到广泛应用的。之后又有很多单一组元的薄膜被发现；
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