timon复合膜的微结构力学性能和摩擦磨损性能的研究(附件)【字数：10771】
摘 要摘 要本论文使用了JGP560复合型高真空多靶磁控溅射设备制备了TiMoN纳米复合薄膜，研究了不同Mo含量下的TiMoN复合膜的微结构、力学性能、摩擦磨损性能。通过对低Mo含量TiMoN复合膜的研究可以得出以下结论TiMoN薄膜为面心立方结构，择优取向为（111），薄膜主要为Mo在TiN中的置换固溶体。复合膜中的Mo含量与Mo靶功率基本上成线性关系，即随着Mo靶功率的升高，TiMoN复合膜中Mo原子的含量逐渐升高，反之Ti与N的含量却是随着Mo靶功率的提高而下降。TiMoN薄膜中的显微硬度随着Mo含量的升高先，升高到一定值然后下降，最高硬度为25.41Gpa，而对应的晶粒尺寸则是先下降再升高。随着Mo含量的升高，TiMoN复合膜室温下的平均摩擦系数逐渐降低，最小平均摩擦系数为0.33，这表明了增加Mo含量能使薄膜具有较低的磨损率，良好的耐磨性。相比于TiN的磨损率1×10-5mm2/N，TiMoN薄膜的耐磨性能优异，磨损率在1×10-6---1×10-8 mm2/N之间。关键词 TiMoN复合薄膜；显微结构；力学性能；摩擦磨损性能
目录
第1章 绪论 1
1.1引言 2
1.2纳米薄膜的种类、研究现状和发展方向 2
1.2.1 单元及多元纳米薄膜 2
1.2.2 多层薄膜 4
1.2.3 梯度薄膜 4
1.2.4 新型薄膜 5
1.3薄膜摩擦磨损理论研究 5
1.3.1摩擦理论 6
1.3.2 影响摩擦的因素 8
1.3.3磨损 8
1.4选题意义与研究内容 9
1.4.1 选题意义 10
1.4.2 研究内容 10
第2章 薄膜的制备与性能表征 10
2.1 引言 11
2.2 薄膜的制备方法与实验设备 12
2.2.1磁控溅射原理及优缺点 12
2.2.2本实验所用设备 13
2.3镀膜前的处理 13
2.3.1镀膜前基底的处理 13
2.3.2 薄膜的制备工艺过程 13
2.4薄膜的性能检测 13
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2.5薄膜的检测设备 14
2.5.1 SEM 14
2.5.2 EDS 15
2.5.3 纳米力学综合测试系统 15
2.5.4 摩擦磨损试验机 15
2.5.5 XRD 15
第3章 不同Mo含量的TiMoN复合膜研究 17
3.1 引言 17
3.2 实验过程 17
3.3 实验结果与讨论 19
3.3.1 TiMoN薄膜的微观组织与力学性能 19
3.3.2TiMoN薄膜室温下的摩擦磨损性能研究 23
结论 26
致谢 27
参考文献 28
第1章 绪 论
1.1引言
伴随着现代工业技术的蓬勃发展，人们对工业制品抵御苛刻服役条件的能力和长久稳定运行的能力提出了越来越高的要求。材料表面技术使得材料能够在许多领域得到使用，材料能够被使用的时间增加了许多，这样才能够将用料与能耗降到最低，因此最近一段时间表面气相沉积的涂层技术引起了人们的极大关注,这种技术通常情况下分为二种，分别是物理气相沉积还有化学气相沉积。物理气相沉积的沉积速度不受工作压力的影响，即便工作压力很低，它的沉积速度也能达到较高的水平中，当基底温度很低时，一般的溅射方法得到的涂层质量不高，但此种方法却能够得到高质量的涂层。非平衡磁控溅射是在传统磁控溅射的根基上延伸出来的，它让磁场不仅仅在局限于靶的表面而是到达了包容基底的范畴内，所以当溅射粒子在基片表面沉积时，能保证气体离子轰击基片时的数量和质量[1]，镀膜的过程中会得到离子的帮助，涂层的强度与质量会有明显的提高。物理沉积和气相沉积的出现使得人们能够很方便的制作各种各样的金属涂层。我们可以通过变更工艺参数来控制难熔化合物，合金薄膜和金属薄膜的生成速度，化学构成，晶体结构。利用这样方法的来制作双层薄膜，单层薄膜和复合薄膜等[2]。显微硬度大于或等于40GPa的固体薄膜材料被称作超硬薄膜, 它能够减少部件的摩擦磨损，使部件获得强大的韧性，不会轻易被磨损破坏，在高温环境下保持稳定，将工业制品的使用寿命实现了质的飞远，减少能源的损耗，保护环境，实现生态与能源的平衡和可持续发展[3]。
随着现今制造业的蓬勃发展，制品表面涂层如果没有极高的硬度，不会轻易被磨损损坏，在高温下保持稳定以及强大的韧性和足够的强度，这样的工件是无法在极端的服役条件下长期工作的。曾经被广泛使用的氮化钛、碳化钛、氮化铬等单一的硬质涂层因为各方面的综合性能较差，相比于复合膜优异的综合性能，单一薄膜的劣势一览无遗，很多单一涂层因为苛刻的服役条件已经达不到人们的需求。最新的研究发现，复合膜或者多层膜的各种特殊性能是单层膜远远无法达到的，它不但显著的降低了涂层的内应力，让涂层不会再被轻易的磨损或破坏，使得涂层获得强大的韧性、对抗裂纹扩展的能力以及热在高温下能够保持稳定的能力，增长了薄膜的使用期限[4]，达到了各种特殊生产应用的需要，是目前材料科学研究的热点。
对于现在实际的工业生产，硬度依然是人们最看重也是最实际的指标，当然，材料的其他性能如韧性，高温抗氧化性，在极端环境下的化学稳定性等也是十分重要的。对于不同的用途的材料，人们对其要求也不尽相同，比如有些材料的摩擦系数、磨损率、导热系数和附着强度也十分重要。总的来说，使用何种薄膜材料技术还是由不同的环境决定的[5]。
1.2 纳米薄膜的种类、研究现状和发展方向
1.2.1 单元和多元纳米薄膜
氮化钛和碳化钛是是属于最初出现的薄膜材料，也是全球范围内应用十分广泛的薄膜，它们十分的坚硬，摩擦系数非常的小和不会轻易被摩擦破坏。多元薄膜是通过在碳化钛或氮化钛薄膜中加入其它元素制备出来的，使涂层的综合性能得以提高。加入铝、铬和钇能使抗氧化性提高，加入锆、钒、硼和铪使抗磨损性得到提高，加入硅来提高硬度和抗化学扩散。典型的多元薄膜比如氮化铝钛，与单一的氮化钛比较它的高温抗氧化性有了非常大的升高，如果用来制备各种工具或者涂层，其使用期限能是氮化钛的四到五倍。Ti(C,N)或氮化铝钛是现在最常用的多元薄膜。
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第1章 绪论 1
1.1引言 2
1.2纳米薄膜的种类、研究现状和发展方向 2
1.2.1 单元及多元纳米薄膜 2
1.2.2 多层薄膜 4
1.2.3 梯度薄膜 4
1.2.4 新型薄膜 5
1.3薄膜摩擦磨损理论研究 5
1.3.1摩擦理论 6
1.3.2 影响摩擦的因素 8
1.3.3磨损 8
1.4选题意义与研究内容 9
1.4.1 选题意义 10
1.4.2 研究内容 10
第2章 薄膜的制备与性能表征 10
2.1 引言 11
2.2 薄膜的制备方法与实验设备 12
2.2.1磁控溅射原理及优缺点 12
2.2.2本实验所用设备 13
2.3镀膜前的处理 13
2.3.1镀膜前基底的处理 13
2.3.2 薄膜的制备工艺过程 13
2.4薄膜的性能检测 13
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2.5薄膜的检测设备 14
2.5.1 SEM 14
2.5.2 EDS 15
2.5.3 纳米力学综合测试系统 15
2.5.4 摩擦磨损试验机 15
2.5.5 XRD 15
第3章 不同Mo含量的TiMoN复合膜研究 17
3.1 引言 17
3.2 实验过程 17
3.3 实验结果与讨论 19
3.3.1 TiMoN薄膜的微观组织与力学性能 19
3.3.2TiMoN薄膜室温下的摩擦磨损性能研究 23
结论 26
致谢 27
参考文献 28
第1章 绪 论
1.1引言
伴随着现代工业技术的蓬勃发展，人们对工业制品抵御苛刻服役条件的能力和长久稳定运行的能力提出了越来越高的要求。材料表面技术使得材料能够在许多领域得到使用，材料能够被使用的时间增加了许多，这样才能够将用料与能耗降到最低，因此最近一段时间表面气相沉积的涂层技术引起了人们的极大关注,这种技术通常情况下分为二种，分别是物理气相沉积还有化学气相沉积。物理气相沉积的沉积速度不受工作压力的影响，即便工作压力很低，它的沉积速度也能达到较高的水平中，当基底温度很低时，一般的溅射方法得到的涂层质量不高，但此种方法却能够得到高质量的涂层。非平衡磁控溅射是在传统磁控溅射的根基上延伸出来的，它让磁场不仅仅在局限于靶的表面而是到达了包容基底的范畴内，所以当溅射粒子在基片表面沉积时，能保证气体离子轰击基片时的数量和质量[1]，镀膜的过程中会得到离子的帮助，涂层的强度与质量会有明显的提高。物理沉积和气相沉积的出现使得人们能够很方便的制作各种各样的金属涂层。我们可以通过变更工艺参数来控制难熔化合物，合金薄膜和金属薄膜的生成速度，化学构成，晶体结构。利用这样方法的来制作双层薄膜，单层薄膜和复合薄膜等[2]。显微硬度大于或等于40GPa的固体薄膜材料被称作超硬薄膜, 它能够减少部件的摩擦磨损，使部件获得强大的韧性，不会轻易被磨损破坏，在高温环境下保持稳定，将工业制品的使用寿命实现了质的飞远，减少能源的损耗，保护环境，实现生态与能源的平衡和可持续发展[3]。
随着现今制造业的蓬勃发展，制品表面涂层如果没有极高的硬度，不会轻易被磨损损坏，在高温下保持稳定以及强大的韧性和足够的强度，这样的工件是无法在极端的服役条件下长期工作的。曾经被广泛使用的氮化钛、碳化钛、氮化铬等单一的硬质涂层因为各方面的综合性能较差，相比于复合膜优异的综合性能，单一薄膜的劣势一览无遗，很多单一涂层因为苛刻的服役条件已经达不到人们的需求。最新的研究发现，复合膜或者多层膜的各种特殊性能是单层膜远远无法达到的，它不但显著的降低了涂层的内应力，让涂层不会再被轻易的磨损或破坏，使得涂层获得强大的韧性、对抗裂纹扩展的能力以及热在高温下能够保持稳定的能力，增长了薄膜的使用期限[4]，达到了各种特殊生产应用的需要，是目前材料科学研究的热点。
对于现在实际的工业生产，硬度依然是人们最看重也是最实际的指标，当然，材料的其他性能如韧性，高温抗氧化性，在极端环境下的化学稳定性等也是十分重要的。对于不同的用途的材料，人们对其要求也不尽相同，比如有些材料的摩擦系数、磨损率、导热系数和附着强度也十分重要。总的来说，使用何种薄膜材料技术还是由不同的环境决定的[5]。
1.2 纳米薄膜的种类、研究现状和发展方向
1.2.1 单元和多元纳米薄膜
氮化钛和碳化钛是是属于最初出现的薄膜材料，也是全球范围内应用十分广泛的薄膜，它们十分的坚硬，摩擦系数非常的小和不会轻易被摩擦破坏。多元薄膜是通过在碳化钛或氮化钛薄膜中加入其它元素制备出来的，使涂层的综合性能得以提高。加入铝、铬和钇能使抗氧化性提高，加入锆、钒、硼和铪使抗磨损性得到提高，加入硅来提高硬度和抗化学扩散。典型的多元薄膜比如氮化铝钛，与单一的氮化钛比较它的高温抗氧化性有了非常大的升高，如果用来制备各种工具或者涂层，其使用期限能是氮化钛的四到五倍。Ti(C,N)或氮化铝钛是现在最常用的多元薄膜。
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