真空退火条件下掺铬类石墨碳膜微观组织和性能的研究

摘要

本文采用闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术制备两种不同铬含量的类石墨碳(GLC)膜，并于真空条件下对其进行不同温度的退火处理。采用X射线光电子能谱仪(XPS)、X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、维氏显微硬度计、划痕仪、销-盘摩擦磨损试验机等测试手段分析了掺铬类石墨碳膜在退火前后微观结构和性能的变化规律，并初步探讨了温度与Cr含量对掺铬碳膜力学和摩擦学性能的影响机理。
　　研究结果表明:真空退火温度对镀层工作层碳元素的键结构有明显的影响。随着退火温度的升高，镀层中的SP2C的含量逐渐增加，使碳元素逐渐由非晶碳向石墨碳转化；真空退火温度对镀层中结晶相的晶体结构影响较大。退火温度较低时，镀层的组织结构基本上为非晶态，当退火温度达到500℃时，镀层中有Cr3C2的结晶相析出，在600℃退火后，Cr3C2的衍射峰有所增强，同时镀层中又出现了Cr23C6的结晶相，退火温度升至800℃时，镀层中的结晶相以Cr3C2、Cr23C6和少量的CrSi2为主。
　　镀层的硬度随着退火温度的升高呈现出先增加后减小的变化规律，退火温度为500℃时，镀层显微硬度最大，Cr靶电流为0A的镀层硬度的变化趋势同Cr靶电流为0.1A的镀层基本一致；随着退火温度的升高，不同Cr含量的两种镀层膜基结合强度均逐渐降低，但Cr靶电流为0.1A的镀层膜基结合强度比Cr靶电流为0A的镀层下降趋势缓慢，下降程度要小；镀层的比磨损率随退火温度升高而逐渐增大，镀层摩擦系数呈先减小后增大的变化趋势，较Cr靶电流为0A的镀层，Cr靶电流为0.1A的镀层的摩擦系数变化幅度较小而稳定。

目录

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中文摘要

1 绪论

1.1 引言

1.2 非晶碳膜的发展与应用

1.2.1 非晶碳膜的结构

1.2.2 非晶碳膜的发展现状

1.3 类石墨(GLC)镀层的发展、性能及应用

1.4 掺杂非晶碳膜

1.5 磁控溅射镀膜技术简介

1.5.1 磁控溅射技术的发展和现状

1.5.2 磁控溅射镀膜的基本原理

1.5.3 闭合场非平衡磁控溅射镀膜技术

1.6 非晶碳膜的热稳定性

1.7 课题的研究目的、意义及内容

1.7.1 课题的研究目的和意义

1.7.2 课题研究内容

1.8 技术路线

2 实验设备和实验方法

2.1 实验材料及试样预处理

2.2 实验研究中镀层的制备

2.2.1 镀膜设备

2.2.2 镀膜工艺

2.3 真空退火处理

2.4 镀层的检测

2.4.1 镀层性能检测

2.4.2 镀层成分及微观组织分析

3 真空退火条件下GLC镀层的成分和微观组织分析

3.1 GLC镀层的化学成分分析

3.1.1 不同退火温度下GLC镀层中的元素种类及含量

3.1.2 不同退火温度下GLC镀层中C原子的化学状态分析

3.2 GLC镀层的微观组织分析

3.2.1 不同真空退火温度对GLC镀层表面形貌的影响

3.2.2 不同真空退火温度对GLC镀层截面形貌的影响

3.2.3 不同退火温度下GLC镀层的XRD分析

3.2.4 GLC镀层微观组织的TEM分析

3.3 本章小结

4 类石墨镀层性能的实验研究

4.1 不同真空退火温度对GLC镀层厚度的影响

4.2 不同真空退火温度对GLC镀层硬度的影响

4.3 不同真空退火温度对GLC镀层膜基结合性能的影响

4.4 不同真空退火温度对GLC镀层摩擦磨损性能的影响

4.4.1 不同真空退火温度对GLC镀层摩擦系数的影响

4.4.2 不同真空退火温度对GLC镀层比磨损率的影响

4.5 本章小结

5 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文