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题目:带状等离子体过滤法制备高结合力类金刚石碳膜工艺研究

关键词:DLC,结合强度,硬度

  摘要



 

在众多新型碳材料中,类金刚石薄膜因其高硬度、低摩擦系数、高热导率、低介电常数、优异的抗磨性能、良好的光学透过性和化学惰性以及生物相容性等优异性能,在世界范围内得到广泛关注和研究。

本文是在提高类金刚石薄膜(Diamond-like carbon Films:DLC)硬度的基础上,获得与基体具有良好的结合强度的类金刚石膜。本文采用过滤式带状等离子体技术在高速钢基体上制备了DLC膜,研究了带状等离子体物理特性在弯管出口的分布规律;分析了离子注入预处理技术和过渡层结构对 DLC 膜硬度和膜基结合性能的影响;采用纳米压痕法测试了薄膜的硬度、Raman光谱测试了薄膜的结构、洛氏压痕法分析了 DLC 薄膜与基体的结合强度。主要研究结果如下:

通过朗缪尔探针法测试90°矩形磁过滤弯管出口的等离子体密度分布,发现弯管外侧比内侧带状等离子体密度高;通过法拉第杯法测试了90°矩形磁过滤弯管出口的等离子体能量分布,发现弯管外侧等离子体离子能量比弯管内侧高。研究了弯管出口不同位置的DLC薄膜的厚度和结构,发现在等离子体密度较高的弯管外侧DLC薄膜厚度较厚;在等离子体能量较高的弯管外侧,DLC薄膜的sp3杂化键含量较高。使用K型热电偶测试了工件架附近的等离子体温度随DLC薄膜沉积时间的变化规律,发现当DLC薄膜连续沉积超过10min,等离子体温度将升到250℃以上,DLC薄膜会石墨化甚至无法成膜。

研究了基体表面C离子注入预处理工艺参数对DLC薄膜性能的影响,发现离子注入电压和注入占空比对DLC薄膜的硬度和膜基结合性能都有很大影响。当注入电压为10kv,注入占空比为0.5%时,可以获得高硬度(硬度值可达40GPa)高结合性能(结合强度达到HF3)的优质DLC薄膜。研究了含Cr或H的三种过渡层Cr/C、Cr/CrN/CrNC/CrC、Cr/CrN/CrNC/CrC/DLC(H)对DLC薄膜硬度和膜基结合力的影响,发现梯度过渡层Cr/CrN/CrNC/CrC和Cr/CrN/CrNC/CrC/DLC(H)的膜层结构使DLC薄膜具有较高的硬度,并且大大改善薄膜的结合强度。