c含量对zrcn复合薄膜结构和力学性能的影响(附件)【字数：12766】
摘 要摘 要本次课题实验研究采用JGP-450型多靶磁控溅射仪制备了一系列的不同 C 含量的 ZrCN 复合薄膜。通过利用 X 射线衍射仪、扫描电子显微镜及能谱仪、摩擦磨损实验机、纳米压痕实验仪等实验仪器对这一系列 ZrCN 复合薄膜的微观结构，力学性能和摩擦磨损性能进行初步的研究。实验结果表明C含量对ZrCN 复合薄膜的微观结构，相组成，摩擦磨损性能，力学性能等众多方面都有着重要的影响。不同C含量的ZrCN 复合薄膜有着不同的性能差异。ZrCN复合薄膜中存在的相主要是(200)面ZrN和(111)面ZrN。随着含C量的增加，ZrCN复合薄膜中ZrN相在39°左右的(200)晶面的衍射峰逐渐宽化变弱而消失，在34°左右的(111)晶面的衍射峰变宽变弱，也呈现逐渐消失的趋势。同时，随着C含量的增加，ZrCN复合薄膜得晶粒尺寸逐渐减小。ZrCN复合薄膜的硬度也伴随着C含量的增加而逐渐降低，但摩擦磨损性能呈现逐步提升的趋势，摩擦系数呈现大幅降低的趋势，摩擦系数在含C量为32.35%时降至最低的0.3902。本次实验课题研究的ZrCN复合薄膜，由于随着复合薄膜中C含量的增加，硬度与弹性模量呈现逐步降低的趋势，而摩擦磨损性能随着C含量的增加呈现不断提升的趋势。硬度值与摩擦磨损性能都是复合薄膜中较为重要的性能要求。综合考虑，可以在满足具体客观需求的硬度值下，选择含C量较高的ZrCN复合薄膜，从而达到最优的性能要求。关键字ZrCN复合薄膜；力学性能；摩擦磨损；结构
目录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2薄膜的制备技术 1
1.2.1薄膜技术的发展 1
1.2.2薄膜的制备 2
1.2.3硬化方式 2
1.3摩擦磨损 3
1.3.1摩擦磨损定义 4
1.3.2摩擦的类别 4
1.3.3磨损的分类 4
1.4研究现状与发展 5
1.5选题意义与研究内容 6
1.5.1课题研究目的 6
1.5.2课题研究内容 7
第二章实验设备及其操作 8
2.1引言 8
2.2实验设备及其原理 8
2.2.1磁控溅射及其基本 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
原理 8
2.2.2 X射线衍射 (XRD) 9
2.2.3扫描电子显微镜 10
2.2.4能谱仪 11
2.2.5纳米压痕仪 11
2.2.6摩擦磨损试验机 12
2.3实验方法 12
2.3.1薄膜的制备过程 12
2.3.2薄膜的表征 13
第三章实验结果与讨论 15
3.1化学成分与微结构 15
3.1.1显微图像 15
3.1.2化学成分 15
3.1.3晶粒尺寸 17
3.2力学性能 18
3.2.1硬度 18
3.2.2弹性模量 18
3.2.3摩擦磨损性能 20
3.3本章小结 21
结论 23
致谢 24
参考文献 25
第一章 绪论
1.1引言
世界经济飞速发展，制造业的发达与否也直接影响着国家的繁荣昌盛，可以说制造业的发达程度对我们国家的崛起发展起到了要至关重要的作用，它是实现中国伟大复兴的核心产业。而现如今的竞争日益激烈，对于核心技术的掌握显得尤为重要。二十一世纪是一个飞速发展的时代，创新才能改变落后的面貌，引领着世界的潮流。现代制造业同样面领着创新，而先进的加工技术就显得越来越重要了。在传统的加工用具无法满足现在的加工需求的情况下，表面工程技术得以发展。表面工程技术是通过运用一些科学的方法，在材料的表面涂覆一层具有特殊性能的材料，从而改变材料表面原有的特性，使得材料满足所要求得到的性能。表面工程技术也因此为制造业注入了新的活力，开启了新的篇章，它大大提高了生产工具的加工效率，有力推动了制造业的蓬勃发展。掌握表面工程的核心技术，对于工业的发展，也至关重要。它为传统的工业生产带来了一次全面的升级。据统计，我国因为生产工具磨损所造成的损失就高达400亿之多，而表面工程技术的出现，无疑大大降低这部分的成本。生产加工工具的优劣，直接影响着加工效率的高低。现代化的制造业中，加工工具要承受着高速摩擦所产生的高温，氧化，以及摩擦造成的磨损。在这种加工刀具上涂覆涂层，就可以改变其表面的性能。这方面上，大大节约了生产的成本，又大大提高了生产的效率。所以材料表面工程技术的研究热度与日俱增。
1.2薄膜的制备技术
1.2.1薄膜技术的发展
表面涂层技术涉及的学科较为广泛，与众多行业都息息相关。他是目前材料类研究领域里最为先进的技术。通过在材料表面涂覆具有特殊性能的材料，改善原有材料的众多不足。现代薄膜材料有超硬薄膜材料，智能薄膜材料，纳米薄膜材料，三族元素氮化物薄膜材料，磁性氮化铁薄膜材料等。智能材料是具有一定功能，可以响应的新材料，例如具有形状记忆效应的形状记忆合金。纳米薄膜材料是晶粒尺寸在几纳米或几十纳米量级的一种多晶体。可以通过适当的技术对其功能性质进行优化。主要方法有，合金化改进涂层，进行多层膜涂层，以及纳米复合硬质涂层。S.Veprek等人依据异质结构超晶格理论，首次提出了提出超硬纳米复合膜的概念[1]。
纳米多层膜涂层要求是：每一单层膜的厚度在纳米尺度范围。当两种不同的结晶结构材料建造一个新超点阵涂层时，一种材料可作为模板并强迫另一种材料的最初几个原子层按照第一种材料的结构排列，从而产生具有新性质的材料，例如：TiN/Cr2N，TiN/AlN，多层膜的结构也可以通过简单的趁机条件的周期变化来产生，例如：TiN/TiN多层膜，商业化的有WC/C涂层。纳米多层膜的超点阵效应可以额外增加涂层的硬度。它们主要应用于机械加工工具的涂层上，硬度增加了图层的抗磨损性能也提高了。有研究表明，再结晶在多层膜中没有在单层膜中来的剧烈[2]。
1.2.2薄膜的制备
薄膜的制成是薄膜在基片上的生长产生的。薄膜生长的过程是粒子在基片上凝结成核，扩散长大形成连续膜的过程[3]。
薄膜的制备方法有很多种，不同的沉积方法也会对薄膜的结构和性能会产生不同的影响。表面涂层技术[4]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[4]。传统的表面涂层制备技术有喷涂、电镀等。而现代表面技术主要包括真空技术的应用：液态介质沉积、气相沉积技术(PVD和CVD)等。还有就是电化学制备薄膜也在研究与反发展之中。目前，气相沉积技术被较为广泛地使用着。
目录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2薄膜的制备技术 1
1.2.1薄膜技术的发展 1
1.2.2薄膜的制备 2
1.2.3硬化方式 2
1.3摩擦磨损 3
1.3.1摩擦磨损定义 4
1.3.2摩擦的类别 4
1.3.3磨损的分类 4
1.4研究现状与发展 5
1.5选题意义与研究内容 6
1.5.1课题研究目的 6
1.5.2课题研究内容 7
第二章实验设备及其操作 8
2.1引言 8
2.2实验设备及其原理 8
2.2.1磁控溅射及其基本 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
原理 8
2.2.2 X射线衍射 (XRD) 9
2.2.3扫描电子显微镜 10
2.2.4能谱仪 11
2.2.5纳米压痕仪 11
2.2.6摩擦磨损试验机 12
2.3实验方法 12
2.3.1薄膜的制备过程 12
2.3.2薄膜的表征 13
第三章实验结果与讨论 15
3.1化学成分与微结构 15
3.1.1显微图像 15
3.1.2化学成分 15
3.1.3晶粒尺寸 17
3.2力学性能 18
3.2.1硬度 18
3.2.2弹性模量 18
3.2.3摩擦磨损性能 20
3.3本章小结 21
结论 23
致谢 24
参考文献 25
第一章 绪论
1.1引言
世界经济飞速发展，制造业的发达与否也直接影响着国家的繁荣昌盛，可以说制造业的发达程度对我们国家的崛起发展起到了要至关重要的作用，它是实现中国伟大复兴的核心产业。而现如今的竞争日益激烈，对于核心技术的掌握显得尤为重要。二十一世纪是一个飞速发展的时代，创新才能改变落后的面貌，引领着世界的潮流。现代制造业同样面领着创新，而先进的加工技术就显得越来越重要了。在传统的加工用具无法满足现在的加工需求的情况下，表面工程技术得以发展。表面工程技术是通过运用一些科学的方法，在材料的表面涂覆一层具有特殊性能的材料，从而改变材料表面原有的特性，使得材料满足所要求得到的性能。表面工程技术也因此为制造业注入了新的活力，开启了新的篇章，它大大提高了生产工具的加工效率，有力推动了制造业的蓬勃发展。掌握表面工程的核心技术，对于工业的发展，也至关重要。它为传统的工业生产带来了一次全面的升级。据统计，我国因为生产工具磨损所造成的损失就高达400亿之多，而表面工程技术的出现，无疑大大降低这部分的成本。生产加工工具的优劣，直接影响着加工效率的高低。现代化的制造业中，加工工具要承受着高速摩擦所产生的高温，氧化，以及摩擦造成的磨损。在这种加工刀具上涂覆涂层，就可以改变其表面的性能。这方面上，大大节约了生产的成本，又大大提高了生产的效率。所以材料表面工程技术的研究热度与日俱增。
1.2薄膜的制备技术
1.2.1薄膜技术的发展
表面涂层技术涉及的学科较为广泛，与众多行业都息息相关。他是目前材料类研究领域里最为先进的技术。通过在材料表面涂覆具有特殊性能的材料，改善原有材料的众多不足。现代薄膜材料有超硬薄膜材料，智能薄膜材料，纳米薄膜材料，三族元素氮化物薄膜材料，磁性氮化铁薄膜材料等。智能材料是具有一定功能，可以响应的新材料，例如具有形状记忆效应的形状记忆合金。纳米薄膜材料是晶粒尺寸在几纳米或几十纳米量级的一种多晶体。可以通过适当的技术对其功能性质进行优化。主要方法有，合金化改进涂层，进行多层膜涂层，以及纳米复合硬质涂层。S.Veprek等人依据异质结构超晶格理论，首次提出了提出超硬纳米复合膜的概念[1]。
纳米多层膜涂层要求是：每一单层膜的厚度在纳米尺度范围。当两种不同的结晶结构材料建造一个新超点阵涂层时，一种材料可作为模板并强迫另一种材料的最初几个原子层按照第一种材料的结构排列，从而产生具有新性质的材料，例如：TiN/Cr2N，TiN/AlN，多层膜的结构也可以通过简单的趁机条件的周期变化来产生，例如：TiN/TiN多层膜，商业化的有WC/C涂层。纳米多层膜的超点阵效应可以额外增加涂层的硬度。它们主要应用于机械加工工具的涂层上，硬度增加了图层的抗磨损性能也提高了。有研究表明，再结晶在多层膜中没有在单层膜中来的剧烈[2]。
1.2.2薄膜的制备
薄膜的制成是薄膜在基片上的生长产生的。薄膜生长的过程是粒子在基片上凝结成核，扩散长大形成连续膜的过程[3]。
薄膜的制备方法有很多种，不同的沉积方法也会对薄膜的结构和性能会产生不同的影响。表面涂层技术[4]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[4]。传统的表面涂层制备技术有喷涂、电镀等。而现代表面技术主要包括真空技术的应用：液态介质沉积、气相沉积技术(PVD和CVD)等。还有就是电化学制备薄膜也在研究与反发展之中。目前，气相沉积技术被较为广泛地使用着。
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