類金剛石薄膜(DLC)由于具有化學惰性,高硬度,較低的摩擦系數(shù)和耐磨損等優(yōu)點而被廣泛用作固體潤滑防護涂層。然而,當DLC薄膜被直接應用于海洋裝備中的摩擦構件表面時,由于受到機械摩擦與海水腐蝕的交互作用,DLC薄膜往往過早失去防護效果,因此有必要對其結構與性能進行改性以提高使用壽命。在DLC薄膜中摻雜金屬或非金屬元素是一種能有效提高膜基結合強度并改善薄膜磨蝕性能的方法。通過文獻調(diào)查發(fā)現(xiàn),有關硼(B)摻雜及鎢(W)摻雜DLC薄膜在海洋環(huán)境中磨蝕性能的研究相對較少,特別是有關B及W含量對DLC薄膜結構、力學性能及在海水環(huán)境下摩擦學性能的研究仍需要做大量工作�；诖�,本論文利用非平衡磁控濺射技術,通過控制靶材電流,在304不銹鋼表面沉積了兩種不同硼含量的DLC薄膜(B含量分別為7.23%、13.27%)和三種不同W含量的DLC薄膜(W含量分別為0.94%、3.12%、15.11%),采用掃描電子顯微鏡(SEM)、掃描探針顯微鏡(SPM)、拉曼光譜儀、劃痕儀、納米壓痕儀、摩擦磨損實驗機對兩類摻雜DLC薄膜的表面形貌、化學成分、顯微結構、結合力、納米硬度及干摩擦性能進行了測試研究,并采用一系列電化學方法研究了B及W元素含量對DLC薄膜腐蝕以及磨蝕性能的影響,以期為DLC薄膜在海洋環(huán)境中的實際應用提供一些理論依據(jù)。研究結果表明:(1)適量(7.23 at.%)的B元素的摻雜能夠降低DLC薄膜的表面粗糙度,使DLC薄膜的表面更加致密,并且在硬度和彈性模量未明顯降低的前提下,能夠降低薄膜內(nèi)應力,顯著提高薄膜與基底間的結合力。(2)在干摩擦條件下,B元素的摻雜能夠明顯降低DLC薄膜的摩擦系數(shù),縮短磨合期。同樣,在海水環(huán)境下,摻雜適量(7.23 at.%)的B元素有助于提升DLC薄膜的抗腐蝕性能,并且大幅提高了DLC薄膜的磨蝕性能,與不摻雜的DLC薄膜相比,摩擦系數(shù)降低了10.7%,磨損量降低了37.0%。(3)隨著WC靶電流增大,DLC薄膜中的W含量逐漸升高,薄膜表面微凸體發(fā)生聚合,并且薄膜中的sp~2鍵合碳及WC_(1-X)相均增多,在薄膜內(nèi)部形成了WC_(1-X)納米晶與非晶DLC的復合結構,其中,0.94 at.%的W摻雜DLC薄膜具有最低的殘余應力,可明顯增大DLC薄膜的韌性。(4)干摩擦條件下,隨著W含量的升高,DLC薄膜的摩擦系數(shù)波動變大,平均摩擦系數(shù)逐漸增大,但磨損率隨著W含量的升高出現(xiàn)先降低后升高的趨勢,W含量為0.94 at.%的DLC薄膜抗磨性能最好。同樣,在海水環(huán)境下,W含量為0.94 at.%的DLC薄膜也具有最佳的耐磨蝕性能,這主要是因為適量W的摻雜導致DLC表面致密度增加,內(nèi)部缺陷減少,從而有效阻滯了腐蝕性介質(zhì)通過薄膜微孔隙向基底的滲透。
【學位單位】：青島理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TB383.2
【部分圖文】：

圖 1-1 腐蝕與各種磨損形式之間可能存在的相互作用Fig.1-1 Possible interactions between corrosion and various wear forms在磨蝕過程中，可以通過公式 1-1 計算出不同極化電位下的總磨損量 VT，VT=Vc+Vm+Vmc+Vcm（1-1）其中，Vc— 純電化學腐蝕；Vm— 純機械磨損；Vmc— 磨損引起的腐蝕；Vcm—腐蝕引起的磨損。摩擦腐蝕實驗后磨損的總體積 VT由表面輪廓儀測定。通過施加陰極電位消除腐蝕影響的方法測定了純機械磨損 Vm，同時采用了法拉第方程（1-2）計算了磨損對腐蝕的促進量 Vmc：V= QM /nFρ （1-2）

圖 1-2 DLC 薄膜的三元相圖[15][16]Fig.1-2 Ternary phase diagram of DLC film非晶碳膜的研究首先發(fā)表于上個世紀 50 年代，20 年以后，世界研究活動開始增多[17]。類金剛石碳基薄膜主要是由 sp3雜化碳子相互雜混的三維碳基網(wǎng)絡構成，通常為非晶態(tài)或非晶-納米晶內(nèi)是否含有氫元素，一般可以分為含氫碳膜(a-C:H, ta-C:H) 和不)。類金剛石碳（DLC）涂層具有低摩擦系數(shù)，高硬度和耐磨性的生物相容性，IR 光譜范圍內(nèi)的光學透明性和低電導率等特性合使其在航空航天、機械、電子、光學、裝飾外觀保護、生物有廣闊的應用前景[18-20]。DLC 薄膜的特性和質(zhì)量與其結構(例如合比)具有直接的關聯(lián)[21-23]。由于 DLC 具有無定形性質(zhì)，通過摻[24-29]

青 島 理 工 大 學 工 學 碩 士 學 位 論 文分析樣品的內(nèi)部晶體結構。從圖 2-2 顯示的碳化硼靶材樣品 SEM 形，國材科技生產(chǎn)的碳化硼靶材表面結構疏松，并且晶粒粗大，而利靶材表面結構密實。從表 2-2 通過 EDS 測量得到的碳化硼靶材元素以看出，國材科技與利承創(chuàng)欣生產(chǎn)的碳化硼含量分別為 91.11 wt.％并且國材科技提供的樣品中雜質(zhì)元素種類多、含量高。從圖 2-3 碳 XRD 檢測結果可以看到，兩公司生產(chǎn)的碳化硼均有明顯的碳化硼特本沒有其他雜相，利承創(chuàng)欣生產(chǎn)碳化硼的衍射峰相對強度遠高于國，說明利承創(chuàng)欣生產(chǎn)的碳化硼結晶性更好。綜合以上分析，我們選司生產(chǎn)的碳化硼靶材作為 DLC 薄膜中 B 元素的來源。
【參考文獻】

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本文編號：2874682