等离子体CVD法制备氮化碳涂层的理论与实验研究

摘要

晶体氮化碳材料是一种在自然界未被发现的新型超硬材料，α、β、立方和准立方相氮化碳的体弹性模量都能够媲美甚至超过金刚石。另外，优异的化学惰性和耐磨性也使得晶体氮化碳有望在刀具涂层方面有突出的表现。
　　本文开展了等离子体CVD法制备氮化碳材料的理论与实验研究，主要内容包括计算仿真、机理分析和实验验证三个部分。本文主要研究及结论如下：
　　(1)利用Material Studio软件进行了第一性原理化学吸附仿真研究。研究表明：N2分子在金刚石过渡层和硬质合金表面不产生化学吸附，N原子在其表面上产生化学吸附；N原子在硬质合金表面吸附能比在金刚石过渡层上有更大的值；N原子在硬质合金表面比在金刚石过渡层上更易于与基底成键，氮化碳更易于在其上直接形核和生长；若采用直流电弧等离子体喷射法制备晶体氮化碳膜，可以通过增大反应气体配比中N2分子量和提高电弧功率密度，产生更多活性N原子，以便提高氮化碳膜形核和生长效率。
　　(2)对等离子体CVD法制备晶体氮化碳涂层的机理进行了研究。有别于王季陶提出的CVD法制备金刚石膜的“化学泵”理论，提出了应用于氮化碳涂层制备过程的新型“化学泵”模型；在金刚石过渡层上沉积氮化碳涂层时，基底温度对金刚石相和氮化碳相的刻蚀与沉积产生显著影响，并提出了在适当温度下金刚石相刻蚀和氮化碳相沉积同时进行的假设模型；当氮源/碳源配比在100：1~10：1时，氮化碳膜才易于成核和生长，并且碳源浓度增长对氮化碳的晶形和晶粒大小影响很大；沉积气压与碳源浓度有交互作用，共同对氮化碳材料的形貌有显著影响。
　　(3)采用直流电弧等离子体喷射法分别在金刚石过渡层和硬质合金上开展制备氮化碳实验，并对实验结果与仿真结论和理论分析进行对比研究。对在不同基底温度下金刚石过渡层沉积的氮化碳涂层进行SEM，XRD等测试，研究表明基底温度对金刚石过渡层上制备的氮化碳涂层的晶形和晶粒大小产生显著影响；首次在硬质合金基底上直接制备出了晶形较为完好的氮化碳晶体涂层，并对在不同碳源浓度条件下于硬质合金上沉积氮化碳涂层进行SEM，XRD等测试，碳源浓度和基底选择等对氮化碳制备的影响与机理分析、仿真结果相一致。

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注释表

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 氮化碳的结构与性质

1.3氮化碳的制备方法

1.4等离子体CVD法制备氮化碳涂层的国内外研究进展

1.5 本文的研究内容及技术路线

第二章 N2、N与基底原子吸附的第一性原理计算

2.1 引言

2.2第一性原理计算基本介绍

2.3计算过程

2.4 在金刚石表面的吸附计算

2.5 在硬质合金表面的吸附计算

2.5 本章小结

第三章 晶体氮化碳沉积过程机理及影响因素分析

3.1 引言

3.2 过程机理探讨

3.3 几种影响因素的讨论

3.3 本章小结

第四章 晶体氮化碳涂层的制备研究

4.1 引言

4.2 直流电弧等离子体喷射设备原理介绍

4.3 现代表征手段简述

4.4金刚石过渡层上制备氮化碳研究

4.5 硬质合金上制备氮化碳研究

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