电弧离子镀dlc涂层工艺设计(附件)【字数：16731】
Process Design of DLC Coating for Arc Ion Plating摘 要Process Design of DLC Coating for Arc Ion Plating摘 要类金刚石薄膜（DLC）因为其良好的摩擦学性能以及高硬度特征，广泛的应用于刀具涂层。本文采用电弧离子镀技术对2618铝合金基底进行膜层沉积，利用Cr、C以及N元素的混合沉积形成CrCN过渡层提高膜基结合力，然后沉积C膜形成类金刚石膜层。主要通过扫描电子显微镜对膜层的形貌特征以及膜层厚度进行观察，通过纳米压痕测量膜层的弹性模量以及硬度，通过摩擦磨损试验机测试膜层的摩擦学性能和摩擦系数并通过超景深显微镜计算磨损率，最后通过电化学腐蚀测试膜层的耐腐蚀性能。结果表明类金刚石薄膜在基材上体现了良好的硬度以及摩擦学性能，且未曾发现膜层的脱落，基底的耐蚀性也有了一定的提高。本次实验为常见工程材料铝合金在沉积DLC薄膜方面性能做出了测试与研究，对于铝合金材料在刀具的生产与运用有着重要意义。关键词类金刚石薄膜；电弧离子镀；铝合金
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背景 1
1.1.2 类金刚石薄膜的发展 1
1.1.3 类金刚石薄膜的研究现状 2
1.1.4 类金刚石薄膜的结构 3
1.1.5 类金刚石薄膜的分类 4
1.1.6 类金刚石薄膜的性能及应用 4
1.1.7 DLC薄膜的制备方法 6
1.2 电弧离子镀概述 6
1.2.1 电弧离子镀的研究与发展 6
1.2.2 电弧离子镀的原理 7
1.2.3 电弧离子镀的特点 8
1.3 涂层刀具概述 8
1.3.1 涂层刀具的发展 8
1.3.2 硬质涂层刀具 9
1.3.3 超硬质涂层刀具 9
1.4 选题的意义及研究内容 10
1.4.1 选题的意义 10
1.4.2 研究内容 10
第二章 实验方法和原理 12
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
2.1 基底的选择和预处理 12
2.1.1 基底的选择 12
2.1.2 基底的预处理 12
2.2 DLC薄膜的制备 12
2.3 薄膜的分析方法及原理 13
2.3.1 扫描电子显微镜（SEM） 13
2.3.2 高温摩擦磨损试验机 14
2.3.3 电化学工作站 15
2.3.4 纳米压痕测试仪 16
2.3.5 超景深三维显微镜 16
第三章：实验结果及分析 17
3.1 类金刚石薄膜截面观察以及厚度测量 17
3.2 类金刚石薄膜的力学性能表征 17
3.3 类金刚石薄膜的摩擦磨损性能表征 19
3.3.1 类金刚石薄膜的摩擦磨损形貌表征 19
3.3.2 类金刚石薄膜的摩擦系数与磨损量 20
3.4 类金刚石薄膜的耐腐蚀性能 25
结论 28
致谢 29
参考文献 30
第一章 绪论
1.1 类金刚石薄膜概述
类金刚石薄膜简称为DLC薄膜（diamondlike carbon），是一种非晶态碳膜薄膜，由sp2和sp3键合碳原子的无序网络组成，在性质上和钻石类似，又具有石墨结构组成原子的特征。通过改变薄膜中的sp3含量，DLC实现了许多引人注目的性能如高硬度，控制电阻率和光学性能，生物惰性，低摩擦系数和高耐磨性，且兼具金刚石的诸多优点，这使得DLC在工程应用中引起了广泛关注[1]。
类金刚石薄膜的这些优异性能，使其在切削金属刀具的镀层选择中大放异彩，也可以应用于一些机械结构中需耐磨部位的镀层等。DLC薄膜各类优异的性能，使得研究人员不断的在此挖掘与开拓。
1.1.1 类金刚石薄膜的研究背景
在1971年通过离子束沉积法研究人员制得第一片DLC薄膜，是以碳弧源粒子束沉积技术置于室温条件下所获得的一种物理化学性能相似于金刚石的微晶区[2]。
随着时代的推进，研究人员对类金刚石薄膜的研究也越发的深入。主要对其良好的电学、光学、力学、生物兼容性等性能以及应用进行了深刻的研究，也取得了丰硕的成果。同时人们对于类金刚石的认识也越发的全面而深入，主要体现于类金刚石薄膜的良好的表征、沉积表现以及沉积后膜层与基底的兼容性能及使用性能。
1.1.2 类金刚石薄膜的发展
1971年第一片DLC薄膜诞生以来，随后的研究不断开展推进，人们逐渐对类金刚石薄膜的结构有了更直观的认识，确定了DLC薄膜中碳系结晶种类数目，是sp2和sp3键合碳原子的无序网络组成了DLC薄膜。
当然，在逐步研究的进程中，类金刚石薄膜的缺陷也逐一暴露出来，研究人员也不断的对于DLC薄膜现存的不足进行研究与改良。如我们所知，类金刚石薄膜是一种亚稳定态的非晶态薄膜，热稳定性差成了较为显著的缺点。在特定环境的影响下，DLC薄膜会向石墨转变，其性能如耐磨性，高硬度都会显著下降，十分影响类金刚石膜层的使用。再如类金刚石薄膜的膜基结合力，虽然DLC薄膜拥有着我们青睐的高硬度，但是薄膜硬度远远高于基底硬度时，膜层与基体的附着力便会显著下降，致使使用过程中极易膜层脱落，也是一种薄膜的失效形式。
内应力的存在也是类金刚石的缺陷之一，内应力产生的裂纹也会使类金刚石薄膜的使用寿命下降。这种种缺陷，既是类金刚石薄膜现存的不足，也是研究人员不断给予热情的基石。由于高固有压应力，DLC膜容易破裂或甚至剥离基板，这同样限制了其广泛使用。通过对类金刚石薄膜的不断改进，可以使其以更好的性能满足不同生产实践的不同需求，实现效益的增长。
为了克服DLC的缺点，已经进行了许多努力。许多研究人员试图在DLC膜和基底之间引入中间层以改善粘合强度。除了碳以外，中间层通常包含存在于基板中的一种或几种元素，以用作过渡层。用另一种金属（Cr，Cu，W，Al和Ti）或非金属（N和Si）元素掺杂是通过减轻残余应力或改变DLC膜的其它性能来增厚膜的通常方法。
已经发现，随着掺入元素的量的增加，在DLC中产生更多的sp2键，导致残余应力的降低。增厚膜的另一种有希望的方法是制备多层膜，例如金属/ DLC，陶瓷/ DLC，硬/软DLC和SixDLC / SiyDLC膜[3]。具有不同残余应力，硬度，磨损率和粘附强度以及其它性质的交替多层可以通过改变双层数量和周期以及两个单层之间的厚度比来获得。研究人员对于类金刚石薄膜缺陷的研究，对于由金属和非金属原子共掺杂的DLC和DLC组成的多层膜的发展将是非常有意义的。
1.1.3 类金刚石薄膜的研究现状
对于类金刚石薄膜的不懈研究，国内也取得了丰硕的成果，现阶段也是硕果累累：
王立平、王云峰等[4]设计制备出软/硬交替的类金刚石/二硫化钼纳米多层膜体系,其中软层二硫化钼起到剪切带的作用,使得硬层类金刚石膜之间可以在低应力水平的情况下产生一定的”相对滑动“,以缓解高硬度膜层的界面应力并保持一定的韧性。同时,类金刚石纳米层的引入也能很大程度的改善二硫化钼薄膜的环境敏感性。
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背景 1
1.1.2 类金刚石薄膜的发展 1
1.1.3 类金刚石薄膜的研究现状 2
1.1.4 类金刚石薄膜的结构 3
1.1.5 类金刚石薄膜的分类 4
1.1.6 类金刚石薄膜的性能及应用 4
1.1.7 DLC薄膜的制备方法 6
1.2 电弧离子镀概述 6
1.2.1 电弧离子镀的研究与发展 6
1.2.2 电弧离子镀的原理 7
1.2.3 电弧离子镀的特点 8
1.3 涂层刀具概述 8
1.3.1 涂层刀具的发展 8
1.3.2 硬质涂层刀具 9
1.3.3 超硬质涂层刀具 9
1.4 选题的意义及研究内容 10
1.4.1 选题的意义 10
1.4.2 研究内容 10
第二章 实验方法和原理 12
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
2.1 基底的选择和预处理 12
2.1.1 基底的选择 12
2.1.2 基底的预处理 12
2.2 DLC薄膜的制备 12
2.3 薄膜的分析方法及原理 13
2.3.1 扫描电子显微镜（SEM） 13
2.3.2 高温摩擦磨损试验机 14
2.3.3 电化学工作站 15
2.3.4 纳米压痕测试仪 16
2.3.5 超景深三维显微镜 16
第三章：实验结果及分析 17
3.1 类金刚石薄膜截面观察以及厚度测量 17
3.2 类金刚石薄膜的力学性能表征 17
3.3 类金刚石薄膜的摩擦磨损性能表征 19
3.3.1 类金刚石薄膜的摩擦磨损形貌表征 19
3.3.2 类金刚石薄膜的摩擦系数与磨损量 20
3.4 类金刚石薄膜的耐腐蚀性能 25
结论 28
致谢 29
参考文献 30
第一章 绪论
1.1 类金刚石薄膜概述
类金刚石薄膜简称为DLC薄膜（diamondlike carbon），是一种非晶态碳膜薄膜，由sp2和sp3键合碳原子的无序网络组成，在性质上和钻石类似，又具有石墨结构组成原子的特征。通过改变薄膜中的sp3含量，DLC实现了许多引人注目的性能如高硬度，控制电阻率和光学性能，生物惰性，低摩擦系数和高耐磨性，且兼具金刚石的诸多优点，这使得DLC在工程应用中引起了广泛关注[1]。
类金刚石薄膜的这些优异性能，使其在切削金属刀具的镀层选择中大放异彩，也可以应用于一些机械结构中需耐磨部位的镀层等。DLC薄膜各类优异的性能，使得研究人员不断的在此挖掘与开拓。
1.1.1 类金刚石薄膜的研究背景
在1971年通过离子束沉积法研究人员制得第一片DLC薄膜，是以碳弧源粒子束沉积技术置于室温条件下所获得的一种物理化学性能相似于金刚石的微晶区[2]。
随着时代的推进，研究人员对类金刚石薄膜的研究也越发的深入。主要对其良好的电学、光学、力学、生物兼容性等性能以及应用进行了深刻的研究，也取得了丰硕的成果。同时人们对于类金刚石的认识也越发的全面而深入，主要体现于类金刚石薄膜的良好的表征、沉积表现以及沉积后膜层与基底的兼容性能及使用性能。
1.1.2 类金刚石薄膜的发展
1971年第一片DLC薄膜诞生以来，随后的研究不断开展推进，人们逐渐对类金刚石薄膜的结构有了更直观的认识，确定了DLC薄膜中碳系结晶种类数目，是sp2和sp3键合碳原子的无序网络组成了DLC薄膜。
当然，在逐步研究的进程中，类金刚石薄膜的缺陷也逐一暴露出来，研究人员也不断的对于DLC薄膜现存的不足进行研究与改良。如我们所知，类金刚石薄膜是一种亚稳定态的非晶态薄膜，热稳定性差成了较为显著的缺点。在特定环境的影响下，DLC薄膜会向石墨转变，其性能如耐磨性，高硬度都会显著下降，十分影响类金刚石膜层的使用。再如类金刚石薄膜的膜基结合力，虽然DLC薄膜拥有着我们青睐的高硬度，但是薄膜硬度远远高于基底硬度时，膜层与基体的附着力便会显著下降，致使使用过程中极易膜层脱落，也是一种薄膜的失效形式。
内应力的存在也是类金刚石的缺陷之一，内应力产生的裂纹也会使类金刚石薄膜的使用寿命下降。这种种缺陷，既是类金刚石薄膜现存的不足，也是研究人员不断给予热情的基石。由于高固有压应力，DLC膜容易破裂或甚至剥离基板，这同样限制了其广泛使用。通过对类金刚石薄膜的不断改进，可以使其以更好的性能满足不同生产实践的不同需求，实现效益的增长。
为了克服DLC的缺点，已经进行了许多努力。许多研究人员试图在DLC膜和基底之间引入中间层以改善粘合强度。除了碳以外，中间层通常包含存在于基板中的一种或几种元素，以用作过渡层。用另一种金属（Cr，Cu，W，Al和Ti）或非金属（N和Si）元素掺杂是通过减轻残余应力或改变DLC膜的其它性能来增厚膜的通常方法。
已经发现，随着掺入元素的量的增加，在DLC中产生更多的sp2键，导致残余应力的降低。增厚膜的另一种有希望的方法是制备多层膜，例如金属/ DLC，陶瓷/ DLC，硬/软DLC和SixDLC / SiyDLC膜[3]。具有不同残余应力，硬度，磨损率和粘附强度以及其它性质的交替多层可以通过改变双层数量和周期以及两个单层之间的厚度比来获得。研究人员对于类金刚石薄膜缺陷的研究，对于由金属和非金属原子共掺杂的DLC和DLC组成的多层膜的发展将是非常有意义的。
1.1.3 类金刚石薄膜的研究现状
对于类金刚石薄膜的不懈研究，国内也取得了丰硕的成果，现阶段也是硕果累累：
王立平、王云峰等[4]设计制备出软/硬交替的类金刚石/二硫化钼纳米多层膜体系,其中软层二硫化钼起到剪切带的作用,使得硬层类金刚石膜之间可以在低应力水平的情况下产生一定的”相对滑动“,以缓解高硬度膜层的界面应力并保持一定的韧性。同时,类金刚石纳米层的引入也能很大程度的改善二硫化钼薄膜的环境敏感性。
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