【摘要】：類金剛石碳基(Diamond-like Carbon,DLC)薄膜擁有眾多與金剛石薄膜相似的優(yōu)異性能如高硬度、低摩擦系數(shù)、耐磨損、耐腐蝕、化學(xué)性能穩(wěn)定等,作為表面防護(hù)以及固體潤(rùn)滑的新型功能薄膜材料擁有巨大的應(yīng)用前景。DLC薄膜的實(shí)用化始于20世紀(jì)80年代中期,但截至目前DLC薄膜仍未在世界范圍內(nèi)得到大規(guī)模的應(yīng)用,主要是其本身存在的膜基結(jié)合強(qiáng)度不足、韌性差以及摩擦學(xué)性能不穩(wěn)定等問(wèn)題,嚴(yán)重制約了其作為功能涂層的耐用性能。因此,如何改變薄膜設(shè)計(jì)理念,開(kāi)發(fā)新型DLC薄膜,進(jìn)而改善并提高DLC薄膜的綜合性能,對(duì)實(shí)現(xiàn)DLC薄膜在世界范圍內(nèi)的大規(guī)模應(yīng)用具有重大的現(xiàn)實(shí)和社會(huì)價(jià)值。論文從理論和實(shí)際應(yīng)用角度,設(shè)計(jì)了以金屬摻雜和多層交替的復(fù)合薄膜構(gòu)筑結(jié)構(gòu)來(lái)改善DLC薄膜綜合力學(xué)性能。在此基礎(chǔ)上,應(yīng)用作刀具涂層完成了玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的車削加工研究,并探索了一種以DLC薄膜補(bǔ)償結(jié)合精密切削技術(shù)的,可同時(shí)實(shí)現(xiàn)微米和中間尺度零件/結(jié)構(gòu)高精度、高表面質(zhì)量加工的新型復(fù)合制造技術(shù)。主要完成了:(1)采用陽(yáng)極層線性離子源技術(shù)制備單層含氫DLC薄膜,對(duì)制備原理及薄膜生長(zhǎng)機(jī)理進(jìn)行了分析。研究了不同離子源電壓(400V～1000V)、脈沖負(fù)偏壓(-600V～-1400V)和基體溫度(50℃～250℃)對(duì)薄膜形貌、微觀組織結(jié)構(gòu)、膜基結(jié)合強(qiáng)度、韌性和耐磨性的影響規(guī)律。當(dāng)離子源電壓為1000V,脈沖負(fù)偏壓為-1400V,基體溫度為100℃時(shí),薄膜綜合力學(xué)性能最佳。(2)采用中頻反應(yīng)磁控濺射技術(shù)制備了單層Ti摻雜DLC復(fù)合薄膜,對(duì)制備原理及薄膜生長(zhǎng)機(jī)理進(jìn)行了分析。研究了不同中頻電流(2A～6A)、Ar進(jìn)氣流量(40sccm～120sccm)和脈沖負(fù)偏壓(-400V～-1200V)對(duì)薄膜形貌、微觀組織結(jié)構(gòu)、膜基結(jié)合強(qiáng)度、韌性和耐磨性的影響規(guī)律。當(dāng)中頻電流為5A,Ar進(jìn)氣流量為lOOsccm,脈沖負(fù)偏壓為-800V時(shí),薄膜綜合力學(xué)性能最佳。(3)采用單層含氫DLC薄膜與單層Ti摻雜DLC薄膜交替沉積、多層構(gòu)筑的方式完成了DLC多層交替復(fù)合薄膜的制備。結(jié)合各單層薄膜的生長(zhǎng)速率,通過(guò)改變調(diào)制周期和調(diào)制比來(lái)控制周期內(nèi)薄膜厚度值及各個(gè)單層的厚度比,從而獲得不同的薄膜性能。當(dāng)調(diào)制周期為366nm,調(diào)制比為1:1時(shí),DLC多層交替復(fù)合薄膜相較于含氫DLC薄膜,膜基結(jié)合強(qiáng)度從97N增加至110N,韌性CPRs從2195N~2增加至2980N~2,摩擦系數(shù)從0.1降低至0.08左右,磨損率從1.13×10~(-7)mm~3/(m·N)進(jìn)一步降低至4.82×10~(-8)mm~3/(m·N)。(4)采用無(wú)涂層、涂覆單層含氫DLC薄膜和DLC多層交替復(fù)合薄膜的YG8硬質(zhì)合金車刀對(duì)無(wú)堿類E型玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行了干式車削加工。研究了不同切削深度、進(jìn)給量以及切削速度對(duì)切削加工過(guò)程的影響。經(jīng)過(guò)DLC鍍膜,刀具的切削壽命得到顯著延長(zhǎng)。所有刀具在切削玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料后均呈現(xiàn)磨粒磨損形貌,涂層刀具的磨損除了磨粒磨損外還存在薄膜剝落失效現(xiàn)象。相比于單層無(wú)摻雜含氫DLC薄膜,DLC多層交替復(fù)合薄膜與刀具的結(jié)合強(qiáng)度、耐磨性能明顯占優(yōu)勢(shì)。從加工表面質(zhì)量上看,采用涂層刀具加工后,已加工表面的纖維拔出、斷裂、彎曲等缺陷明顯減少,表面粗糙度值更低。從切削參數(shù)選擇上看,車削加工玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)該選用小的切削深度、低進(jìn)給量和高切削速度的工藝參數(shù)。(5)對(duì)以DLC薄膜補(bǔ)償結(jié)合精密切削技術(shù)的,可同時(shí)實(shí)現(xiàn)微米和中間尺度零件/結(jié)構(gòu)高精度、高表面質(zhì)量加工的新型復(fù)合制造技術(shù)進(jìn)行了公差理論研究,包括尺寸公差、精密切削加工工序公差和鍍膜膜厚公差;以臺(tái)階和槽作為微米和中間尺度復(fù)合制造技術(shù)驗(yàn)證對(duì)象,經(jīng)過(guò)精密切削以及DLC多層復(fù)合薄膜精密補(bǔ)償后,一方面零件的表面硬度從HV775.96增加至HV1016.34,而且表面耐磨性得到極大提高,摩擦系數(shù)從0.75降低至0.08,另一方面在尺寸上達(dá)到了設(shè)計(jì)尺寸400μm和700μm的加工制造要求,精度等級(jí)達(dá)到IT5。
【圖文】：

邐博士學(xué)位論文逡逑圖１．３傳統(tǒng)ＴｉＮ涂層（左）和新型ＤＬＣ涂層（右）螺紋成型工具表面損傷對(duì)比逡逑與國(guó)外相比，，國(guó)內(nèi)的ＤＬＣ薄膜研制與應(yīng)用起步均較晚。目前在刀具應(yīng)用領(lǐng)域，國(guó)逡逑內(nèi)的蘇州星弧涂層科技股份有限公司（外資）技術(shù)相對(duì)成熟，現(xiàn)己成功將ＤＬＣ涂層應(yīng)逡逑用于刀具如圖１．４所示，使得刀具壽命延長(zhǎng)了邋３￣４倍，大大降低了刀具使用成本，提高逡逑了生產(chǎn)效率。廣州有色金屬研究院在硬質(zhì)合金刀具表面沉積了厚的ＤＬＣ薄膜，在逡逑切削共晶鋁硅合金時(shí)提高壽命１．５倍，在切削耐磨鋁青銅時(shí)提高壽命８倍，但在切削大逡逑顆粒復(fù)合材料時(shí)表現(xiàn)并不佳［２５］。上海納峰科技有限公司將ＤＬＣ薄膜應(yīng)用于ＰＣＢ微鉆頭逡逑及各種注塑模具上，延長(zhǎng)了鉆頭和模具的使用壽命，降低了生產(chǎn)成本。中國(guó)臺(tái)灣Ｋｉｎｉｋ逡逑股份有限公司開(kāi)發(fā)了涂覆ＤＬＣ薄膜的微鉆如圖１．５所示，鉆削結(jié)果顯示涂覆后的刀具逡逑表現(xiàn)出更為優(yōu)異的綜合性能總體來(lái)說(shuō)

與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)的ＤＬＣ薄膜研制與應(yīng)用起步均較晚。目前在刀具應(yīng)用領(lǐng)域，國(guó)逡逑內(nèi)的蘇州星弧涂層科技股份有限公司（外資）技術(shù)相對(duì)成熟，現(xiàn)己成功將ＤＬＣ涂層應(yīng)逡逑用于刀具如圖１．４所示，使得刀具壽命延長(zhǎng)了邋３￣４倍，大大降低了刀具使用成本，提高逡逑了生產(chǎn)效率。廣州有色金屬研究院在硬質(zhì)合金刀具表面沉積了厚的ＤＬＣ薄膜，在逡逑切削共晶鋁硅合金時(shí)提高壽命１．５倍，在切削耐磨鋁青銅時(shí)提高壽命８倍，但在切削大逡逑顆粒復(fù)合材料時(shí)表現(xiàn)并不佳［２５］。上海納峰科技有限公司將ＤＬＣ薄膜應(yīng)用于ＰＣＢ微鉆頭逡逑及各種注塑模具上，延長(zhǎng)了鉆頭和模具的使用壽命，降低了生產(chǎn)成本。中國(guó)臺(tái)灣Ｋｉｎｉｋ逡逑股份有限公司開(kāi)發(fā)了涂覆ＤＬＣ薄膜的微鉆如圖１．５所示，鉆削結(jié)果顯示涂覆后的刀具逡逑表現(xiàn)出更為優(yōu)異的綜合性能總體來(lái)說(shuō)，目前國(guó)內(nèi)ＤＬＣ薄膜的制備技術(shù)和裝備制造逡逑技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)水平相差很大，導(dǎo)致ＤＬＣ薄膜的應(yīng)用規(guī)模有限，其大規(guī)模應(yīng)用還未起逡逑步，并且由于國(guó)外的技術(shù)封鎖與壟斷，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)在ＤＬＣ薄膜關(guān)鍵技術(shù)方面如超厚（厚逡逑度１０？５0Ｍｍ）邋ＤＬＣ薄膜制備技術(shù)、復(fù)雜形狀零部件均勻沉積技術(shù)、ＤＬＣ薄膜與潤(rùn)滑油逡逑適配特性、ＤＬＣ薄膜的高溫穩(wěn)定性和耐久性、大批量可靠性生產(chǎn)裝備及工藝成套技術(shù)等逡逑進(jìn)展緩慢
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB34

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 AnderssonL.P.;周兆萍;;用于光學(xué)器件的類金剛石保護(hù)膜、n反射膜的性能評(píng)述[J];真空與低溫;1987年01期

2 彭少麒,劉國(guó)洪;類金剛石a-C:H膜的熱釋氫和紅外吸收研究[J];物理學(xué)報(bào);1988年07期

3 徐彭壽,方容川;襯底溫度和退火處理對(duì)類金剛石非晶碳膜光電發(fā)射譜的影響[J];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào);1988年04期

4 ;交織型類金剛石網(wǎng)格已合成[J];化學(xué)通報(bào);1989年05期

5 樊啟文;杜英輝;張榕;夏清良;;類金剛石碳剝離膜的制備及其性能研究[J];原子能科學(xué)技術(shù);2015年08期

6 周升國(guó);劉正兵;劉龍;馬利秋;;濺射靶功率對(duì)類金剛石碳薄膜的結(jié)構(gòu)和性能影響[J];超硬材料工程;2015年04期

7 王立平;;類金剛石碳薄膜摩擦機(jī)理研究取得新進(jìn)展[J];中國(guó)表面工程;2016年04期

8 常海波,徐洮,李紅軒,張治軍,劉惠文;用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備類金剛石碳薄膜的摩擦磨損性能研究[J];摩擦學(xué)學(xué)報(bào);2005年04期

9 趙寶紅;伊哲;戰(zhàn)德松;楊曉臨;楊彥昌;鄒建梧;周正任;艾紅軍;;類金剛石碳涂層的鈦種植體對(duì)小鼠免疫功能影響的研究[J];中國(guó)醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào);2005年06期

10 李紅軒,徐洮,陳建敏,周惠娣,劉惠文;直流射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積類金剛石碳薄膜的結(jié)構(gòu)及摩擦學(xué)性能研究[J];摩擦學(xué)學(xué)報(bào);2004年01期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 嚴(yán)一心;蔡長(zhǎng)龍;李剛;杭凌俠;朱昌;;脈沖真空電弧制備類金剛石紅外增透膜的性能測(cè)試[A];第九屆全國(guó)光學(xué)測(cè)試學(xué)術(shù)討論會(huì)論文（摘要集）[C];2001年

2 樊啟文;杜英輝;張榕;許國(guó)基;;類金剛石碳剝離膜的研制[A];中國(guó)原子能科學(xué)研究院年報(bào) 2013[C];2014年

3 張偉;張紓;田中章浩;徐濱士;;類金剛石多層膜在不同環(huán)境下的摩擦學(xué)行為[A];第六屆全國(guó)表面工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2006年

4 馬天寶;胡元中;王慧;;類金剛石薄膜制備及能量影響的理論研究[A];2006全國(guó)摩擦學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（一）[C];2006年

5 張仁輝;王立平;;氟硅共摻雜類金剛石摩擦學(xué)性能[A];第十一屆全國(guó)摩擦學(xué)大會(huì)論文集[C];2013年

6 李曉春;閆鵬勛;李春;崇二敏;劉洋;;磁過(guò)濾陰極弧等離子體制備類金剛石納米尖點(diǎn)陣列膜[A];第六屆全國(guó)表面工程學(xué)術(shù)會(huì)議暨首屆青年表面工程學(xué)術(shù)論壇論文集[C];2006年

7 李曉春;閆鵬勛;李春;崇二敏;劉洋;;磁過(guò)濾陰極弧等離子體制備類金剛石納米尖點(diǎn)陣列膜[A];第六屆全國(guó)表面工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2006年

8 許偉;周克崧;林松盛;代明江;韋春貝;石倩;;含氫摻鎢類金剛石薄膜微結(jié)構(gòu)演變及其力學(xué)與摩擦學(xué)性能[A];粵港澳大灣區(qū)真空科技創(chuàng)新發(fā)展論壇暨2018年廣東省真空學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2018年

9 江曉紅;陸路德;楊緒杰;汪信;Struk V.A.;Skaskevich A.A.;;納米類金剛石聚合物基復(fù)合材料的力學(xué)和摩擦學(xué)性能[A];納米材料和技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展——全國(guó)第三屆納米材料和技術(shù)應(yīng)用會(huì)議論文集（下卷）[C];2003年

10 張偉;張紓;田中章浩;徐濱士;;類金剛石多層膜在不同環(huán)境下的摩擦學(xué)行為[A];第六屆全國(guó)表面工程學(xué)術(shù)會(huì)議暨首屆青年表面工程學(xué)術(shù)論壇論文集[C];2006年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 黃雷;類金剛石碳基復(fù)合薄膜制備工藝及其應(yīng)用研究[D];南京理工大學(xué);2018年

2 趙艷紅;基于統(tǒng)計(jì)物理和化學(xué)平衡的爆轟產(chǎn)物物態(tài)方程[D];中國(guó)工程物理研究院;2015年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 王同;耐蝕導(dǎo)電摻鉻類金剛石的團(tuán)簇加連接原子模型及成分式[D];大連理工大學(xué);2018年

2 繩瑞達(dá);含氫類金剛石及其摻硅類的薄膜制備及性能研究[D];華南理工大學(xué);2018年

3 杜穎穎;金剛石及類金剛石材料的常溫常壓電化學(xué)合成[D];山東大學(xué);2009年

4 溝引寧;類金剛石多層膜的制備及其力學(xué)性能研究[D];西南交通大學(xué);2006年

5 路丹花;溶劑熱電化學(xué)合成類金剛石物質(zhì)[D];山東大學(xué);2010年

6 張記升;液相電化學(xué)沉積類金剛石及摻雜類金剛石薄膜研究[D];河南大學(xué);2008年

7 洪貴春;類金剛石磁頭保護(hù)膜表面形貌對(duì)其摩擦性能影響的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

8 趙杰;類金剛石涂層刀具制備及切削性能研究[D];上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué);2017年

9 朱其豹;低壓電化學(xué)制備類金剛石（DLC）膜研究[D];南京航空航天大學(xué);2014年

10 崇二敏;銅摻雜類金剛石納米尖點(diǎn)陣列研究[D];蘭州大學(xué);2007年

本文編號(hào)：2639090