非晶碳氮膜的制备及其摩擦磨损性能的研究

摘要

非晶碳氮薄膜具有许多优异的性能，如高硬度、极低的摩擦系数、化学惰性及可控的电导性等，在许多领域具有巨大应用前景，因此，开展非晶碳氮薄膜的研究具有重要的实际意义。本文主要开展了两个方面的研究，一是不同粒子在薄膜表面的吸附性能的研究，二是利用射频磁控溅射法制备非晶碳氮薄膜并对薄膜结构成分和各项性能进行研究。
　　本研究主要内容包括：⑴利用Material Studio软件对N、N2和CN团簇在硅表面及石墨表面进行化学吸附仿真研究。结果表明N2分子在硅表面及石墨表面都不产生化学吸附，N原子和CN基团在硅表面及石墨表面均能产生化学吸附，而N原子在两个表面均具有非常大的吸附能力。说明在制备非晶碳氮薄膜时，仅仅提高氮气分压可能对增加薄膜的含氮量作用有限，提高氮气的离化率以产生更多活性N原子是提高薄膜中氮的含量有效手段。⑵采用射频磁控溅射法制备非晶碳氮薄膜，研究氮气分压、基底偏压和基底温度对碳氮薄膜的结构成分及力学性能的影响。发现氮气分压的增加，薄膜的表面粗糙度增加，薄膜发生sp3键向sp2键的石墨化转变，薄膜中的氮含量在氮气分压达到25％后增长缓慢，薄膜的硬度、弹性模量及内应力均减小。随着基底偏压的增加，薄膜表面变的平整致密，拉曼光谱表明薄膜中的sp3键的含量先增大后减小，薄膜的硬度和弹性模量变化趋势和sp3键的含量变化趋势一致。基底温度升高，薄膜表面粗糙度降低，高的基底温度会使薄膜的sp3键含量减小，力学性能恶化，本节优化后的基底偏压和温度分别为-50V和150℃。⑶对制备的非晶碳氮膜开展摩擦磨损性能的研究，发现随着氮气分压的增大，薄膜的摩擦系数和磨损率均增大；随着基底温度增加，薄膜的摩擦系数和磨损率均减小；随着施加载荷的增加，制备薄膜的摩擦系数减低，磨损率下降，但载荷过大，薄膜的磨损寿命降低，对磨速度增加时薄膜的摩擦系数和磨损率减小。

目录

声明

注释表

第一章 绪论

1. 1 引言

1. 2 非晶碳氮薄膜的研究现状

1. 3 非晶碳氮膜的制备方法

1. 4 非晶碳氮薄膜的性能与应用

1. 5 本文的研究意义及内容

第二章 N2、N原子及CN基团吸附性能的计算

2. 1 引言

2. 2 第一性原理计算基本介绍

2. 3 吸附模型的建立及计算过程

2.4 N、N2及CN基团在Si(1 0 0)表面的吸附计算

2.5 N、N2及CN基团在石墨（0 0 2）表面的吸附计算

2. 6 本章小结

第三章 非晶碳氮薄膜制备工艺及力学性能的研究

3. 1 引言

3. 2 薄膜的制备

3. 3 氮气分压对薄膜结构及力学性能的影响

3. 4 偏压对非晶碳氮薄膜结构及力学性能的影响

3. 5 温度对非晶碳氮薄膜结构及力学性能的影响

3. 6 本章小结

第四章 非晶碳氮薄膜的摩擦磨损性能研究

4. 1 引言

4. 2 摩擦磨损机理及实验

4. 3 氮气分压对非晶碳氮薄膜摩擦磨损性能的影响

4. 4 基底温度对非晶碳氮薄膜摩擦磨损性能的影响

4. 5 摩擦条件对非晶碳氮薄膜摩擦磨损性能的影响

4. 6 本章小结

第五章 总结与展望

5. 1 总结

5. 2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文