【摘要】：天然單晶金剛石是自然界中已知最硬的物質(zhì),由金剛石制作的各種器具被廣泛應(yīng)用于切削、拋光以及石油化工領(lǐng)域。國內(nèi)外的許多學(xué)者進(jìn)行了大量超硬材料的研究工作,期望能獲得硬度比金剛石硬度更高的材料,有部分學(xué)者在他們發(fā)表的文章中展示了獲得的超硬材料,但是都通過與天然金剛石的對(duì)比表明獲得的材料具有比金剛石更高的硬度,沒有定量地測量超硬材料的硬度。作者所在課題組在對(duì)金剛石刀具的后續(xù)熱處理研究過程中觀察到了一種超硬金剛石表面的現(xiàn)象。在課題組前期的研究工作中,采用納米壓痕技術(shù)對(duì)熱處理后刀具表面的力學(xué)性能進(jìn)行分析,得到超硬金剛石表面的硬度及彈性模量在壓入深度為6nm出現(xiàn)最大值,分別為650GPa和24000GPa,約為金剛石實(shí)際硬度的6.5倍和實(shí)際彈性模量的12倍。對(duì)于超硬金剛石表面的致硬機(jī)理,還沒有進(jìn)行相關(guān)的研究分析。目前,納米壓痕儀上使用的各類不同形狀的壓頭均由金剛石材料制作,對(duì)于硬度遠(yuǎn)小于金剛石硬度的被測樣品,現(xiàn)有的Oliver-Pharr計(jì)算方法能很好的獲得材料的硬度;然而對(duì)于上述的超硬材料,在納米壓痕過程中,金剛石壓頭可能產(chǎn)生彈性變形甚至塑性變形,使得測量結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差。本文圍繞超硬金剛石表面的致硬機(jī)理,以及超硬材料的硬度評(píng)價(jià)技術(shù)展開研究。具體的研究成果涵蓋以下內(nèi)容。首先,應(yīng)用分子動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù),驗(yàn)證了Airebo勢函數(shù)對(duì)石墨烯碳原子間相互作用的模擬效果;其次對(duì)石墨烯金剛石體系的超硬材料的納米壓痕過程進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)模擬,分析了超硬材料的加卸載曲線,并與超硬材料納米壓痕實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比;同時(shí)觀察了超硬材料納米壓痕過程中石墨烯碳碳鍵斷裂過程,以及金剛石位錯(cuò)的擴(kuò)展過程,得出石墨烯優(yōu)異的力學(xué)性能延緩金剛石晶體位錯(cuò)的擴(kuò)展,以及石墨烯高強(qiáng)度的碳碳鍵使得金剛石表面的自由能得到提高,是使超硬金剛石表面表現(xiàn)出超高硬度的主要原因。其次,在彈塑性接觸理論的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)了壓頭彈性變形時(shí)載荷和壓深的關(guān)系,確定了該方法的適用范圍,并在推導(dǎo)過程中得到了壓頭接觸面積與最大壓深的關(guān)系;并通過金剛石壓頭加載金剛石樣品的納米壓痕實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論的可行性;同時(shí)對(duì)兩種面積函數(shù)的校準(zhǔn)方法進(jìn)行對(duì)比,尤其是在小壓深的情況下,對(duì)兩種方法的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,得出使用原子力顯微鏡測量方法得到的結(jié)果更加準(zhǔn)確。再次,在金剛石壓頭塑性變形的情況下,采用量綱分析方法,分析了壓頭尖端鈍圓半徑R與載荷P、壓深h、名義彈性模量Er以及壓頭尖端初始鈍圓半徑r0關(guān)系,并得出相應(yīng)的表達(dá)式;再通過實(shí)驗(yàn),對(duì)表達(dá)式進(jìn)行擬合�？紤]到壓頭塑性變形時(shí),壓頭的棱邊鈍圓半徑也有相應(yīng)的變化,通過實(shí)驗(yàn)建立了壓頭棱邊鈍圓半徑變化規(guī)律與壓深的關(guān)系。綜合壓頭尖端鈍圓半徑和棱邊鈍圓半徑的變化,得到了壓頭塑性變形時(shí)面積函數(shù)的表達(dá)式。最后,通過原子力顯微鏡確定超硬金剛石納米壓痕測試時(shí),金剛石壓頭處于彈性變形范圍,應(yīng)用上述結(jié)果,測得超硬金剛石表面在5nm時(shí)的硬度值為13.1GPa,是此壓深下金剛石硬度的1.2倍。
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文者的研究過程中，采用了連續(xù)剛度測量方法來測量硬度和彈性模量，由于系統(tǒng)差的存在導(dǎo)致這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，然而從圖 1-1 我們可以發(fā)現(xiàn)，他們?cè)谙嗤臈l件采用同種測量方法，對(duì)金剛石粗糙表面以及機(jī)械拋光的表面進(jìn)行硬度和彈性模測量并沒有出現(xiàn)類似的現(xiàn)象，說明系統(tǒng)誤差這一解釋不合理。進(jìn)而，有充分的由認(rèn)為在金剛石處理后的表面存在某種硬度和彈性模量高于金剛石的硬度和彈模量的物質(zhì)，為了表述方便，下文都將這種物質(zhì)表述為超硬材料。

a)硬度與壓入深度關(guān)系曲線 b)彈性模量與壓入深度關(guān)系曲線圖 1-1 金剛石粗糙表面、機(jī)械拋光表面以及處理后表面的機(jī)械性能 Zong. 等學(xué)者的進(jìn)一步研究中，使用高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)對(duì)質(zhì)進(jìn)行觀察，獲得微觀形貌如圖 1-2 所示�？梢钥吹綀D中未知物質(zhì)成分的晶色)交錯(cuò)分布在金剛石晶體中，形成了晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多晶材料，這種多晶材高的硬度和彈性模量。對(duì)這種材料的能譜進(jìn)行分析，表明超硬材料中僅含素。用拉曼光譜對(duì)這種材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)測試研究，，在圖 1-3 中，1332cm-峰金剛石晶體的特征峰，在 1600 cm-1附件出現(xiàn)了低能寬峰，該峰為納晶石峰，這表明金剛石晶體中交錯(cuò)分布的晶體為層狀石墨或石墨烯。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB34

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2647750