硼碳氮薄膜的脉冲激光沉积、键结构演变与力学性能

摘要

硼碳氮（B-C-N）三元化合物兼具立方氮化硼与金刚石的优良特性，作为一类超硬结构材料，在防护涂层、切削工具等工程领域具有广泛而重要的应用。特定键结构是 B-C-N薄膜获得优异力学性能的前提，而现有研究却很少涉及沉积过程中 B-C-N薄膜的键结构演变问题。为此，本文采用脉冲激光沉积技术制备 B-C-N薄膜，重点研究其键结构和力学性能随沉积工艺（氮气压力、衬底温度、激光能量密度）的演变规律，以期通过建立键结构和力学性能之间的相互关系实现对B-C-N薄膜力学性能的优化。
　　通过调整沉积工艺，分别在不同氮气压力（2.5~5.0 Pa）、衬底温度（RT~600℃）和激光能量密度（1.0~3.0 J/cm2）条件下制备出B-C-N薄膜。利用红外光谱和 X射线光电子能谱对薄膜结构进行分析，结果表明薄膜中均含有 B-N、B-C、C-N和 C=N等不同结合键，说明形成了 B-C-N三元化合物，得到的薄膜为原子级杂化。
　　随着氮气压力的增大，B-C-N薄膜的沉积速率不断增大，粗糙度先减小后增大，同时N含量增加，B含量先增加后减小，而 C含量先减小后增加。此外，薄膜键结构也发生相应演变：当氮气压力从2.5 Pa增大到3.5 Pa时，键结构由sp2杂化的B-N和C=N键向B-C键和sp3杂化的C-N键演变；由3.5 Pa继续增大到5.0 Pa时，薄膜的键结构又发生由 B-C和 sp3杂化的 C-N键向 sp2杂化的B-N和C=N键逆向演变。
　　随着衬底温度的升高，B-C-N薄膜的沉积速率和表面粗糙度均不断减小，同时C和N含量逐渐降低而B含量增大，而且键结构也发生相应演变：当衬底温度从室温升高到400℃时，键结构从 sp2杂化的 B-N和 C=N键向 B-C键和sp3杂化的C-N键演变；从400℃继续升高到600℃时，又由B-C和sp3杂化的C-N键向sp2杂化的B-N和C=N键逆向演变。
　　随着激光能量密度的增大，B-C-N薄膜的沉积速率不断增大，表面粗糙度先增大后减少，同时B和N的含量逐渐增加而C含量则不断降低，而且键结构逐渐由sp2杂化的B-N和C=N键向B-C键和sp3杂化的C-N键演变。
　　在不同脉冲激光沉积条件下制备的 B-C-N薄膜，其硬度和弹性模量的变化范围分别为7.5~33.7 GPa和128~256 GPa，这与沉积过程中薄膜键结构和键含量的演变规律相一致：高含量的 B-C键和 sp3杂化的 C-N键有利于提高薄膜硬度和弹性模量，而高含量sp2杂化的B-N和C=N键则会劣化薄膜的力学性能。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 B-C-N材料的发展现状

1.3 本论文的提出、研究目的及研究内容

第2章 实验与测试

2.1 实验原料

2.2 实验设备

2.3 实验设计与工艺过程

2.4 测试原理与方法

第3章氮气压力对B-C-N薄膜结构和力学性能的影响

3.1 引言

3.2 氮气压力对B-C-N薄膜的的影响

3.3 小结

第4章衬底温度对B-C-N薄膜结构和力学性能的影响

4.1 引言

4.2 衬底温度对B-C-N薄膜的影响

4.3 小结

第5章激光能量密度对B-C-N薄膜结构和力学性能的影响

5.1 引言

5.2 激光能量密度对B-C-N薄膜的的影响

5.3 小结

第6章 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文