發(fā)布時間：2020-11-08 10:52

　　 類金剛石薄膜(DLC)由于具有化學(xué)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(hù)涂層。然而,當(dāng)DLC薄膜被直接應(yīng)用于海洋裝備中的摩擦構(gòu)件表面時,由于受到機(jī)械摩擦與海水腐蝕的交互作用,DLC薄膜往往過早失去防護(hù)效果,因此有必要對其結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)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(jié)合強度并改善薄膜磨蝕性能的方法。通過文獻(xiàn)調(diào)查發(fā)現(xiàn),有關(guān)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(guān)B及W含量對DLC薄膜結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及在海水環(huán)境下摩擦學(xué)性能的研究仍需要做大量工作。基于此,本論文利用非平衡磁控濺射技術(shù),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(jī)對兩類摻雜DLC薄膜的表面形貌、化學(xué)成分、顯微結(jié)構(gòu)、結(jié)合力、納米硬度及干摩擦性能進(jìn)行了測試研究,并采用一系列電化學(xué)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(yīng)用提供一些理論依據(jù)。研究結(jié)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(yīng)力,顯著提高薄膜與基底間的結(jié)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(fù)合結(jié)構(gòu),其中,0.94 at.%的W摻雜DLC薄膜具有最低的殘余應(yīng)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(dǎo)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(xué)位單位】：青島理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)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(xué)腐蝕；Vm— 純機(jī)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(jī)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(jìn)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(jì) 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(luò)構(gòu)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(xué)透明性和低電導(dǎo)率等特性合使其在航空航天、機(jī)械、電子、光學(xué)、裝飾外觀保護(hù)、生物有廣闊的應(yīng)用前景[18-20]。DLC 薄膜的特性和質(zhì)量與其結(jié)構(gòu)(例如合比)具有直接的關(guān)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(xué) 工 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文分析樣品的內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)疏松，并且晶粒粗大，而利靶材表面結(jié)構(gòu)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(jié)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(yuǎn)高于國，說明利承創(chuàng)欣生產(chǎn)的碳化硼結(jié)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(xiàn)】

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本文編號：2874682