碩士課題論證報(bào)告資料

學(xué)告號(hào)SX專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)及理方向 薄膜摩擦學(xué)指導(dǎo)教師 周飛教授年 月 日C僅次于立方硼超材料也具有應(yīng)用[1]B-C基材料大量滑油泄然用潤(rùn)滑系統(tǒng)換油潤(rùn)滑系統(tǒng)眾所周知具有安全無污價(jià)廉核系統(tǒng)、、加工機(jī)械、、領(lǐng)域。沸點(diǎn)低粘低強(qiáng)因此力差造副粘著磨[2]若在潤(rùn)滑部件滑動(dòng)沉積B-C基既利用材料優(yōu)良用碳硼以系。綜上所述保護(hù)節(jié)約重大要求與潤(rùn)滑相匹配低系B-C基材料具有大。內(nèi)外狀首先由Jol在188功標(biāo)記B建議組BC，有[3]碳硼方也有、、應(yīng)方[18-20]碳硼于具有、量、、、系一系于作,而引起界重視。碳硼廣泛應(yīng)用大量發(fā)碳硼也有性穩(wěn)定[4]步改善其內(nèi)外發(fā)在B-C基基加以系量以抗氧力。0d用磁控濺射方法利用TC︰B2陶瓷靶]墨靶素含量不相同C發(fā)所C可達(dá)a彈模量H3E27這說明C韌塑變形這是由于有[6,7]而且還發(fā)隨著碳素含量增加數(shù)磨率明顯降低含增數(shù)由9降1，2.1×10-5mm3/Nm7.1×10-7mm3/Nm(30%～45%)系數(shù)大系在0.7在2.0×10-5mm3/Nm碳素量加以系碳量[8]。2.磁控濺射法真空沉積]利用BC材在不同基上Ti-B-C納米詳細(xì)描述所幾種中[11,12]方法C低于Ti]沒有因加入B素而增加[12,14-16]而且素[17]。課 題 研 究 方 案具體的研究?jī)?nèi)容、研究目標(biāo)和擬解決的關(guān)鍵問題Cr-B-C薄膜的制備工藝根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料和實(shí)驗(yàn)室所具備的實(shí)驗(yàn)條件，確定采用磁控濺射的方法制備Cr-B-C薄膜，參考已有的Ti-B-C薄膜的制備工藝確定Cr-B-C薄膜制備參數(shù)。不同工藝參數(shù)對(duì)Cr-B-C薄膜組成成分的影響采用B4C靶和鉻靶共同濺射的方式制備Cr-B-C薄膜，加在兩種靶材上的功率比不同，所沉積的薄膜的化學(xué)組成也就不同，研究不同的參數(shù)下Cr-B-C薄膜的組成成分。Cr-B-C薄膜的水潤(rùn)滑摩擦學(xué)特性的研究利用摩擦試驗(yàn)機(jī)測(cè)量Cr-B-C通過相關(guān)公式計(jì)算磨損率，研究Cr-B-C薄膜的水潤(rùn)滑摩擦學(xué)特性。研究目標(biāo)：Cr-B-CCr-B-CCr-B-CCr-B-C關(guān)鍵問題：確定Cr-B-C薄膜的制備工藝對(duì)所制備的Cr-B-C。Cr-B-C薄膜在水潤(rùn)滑條件下的摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)。擬采的研究方法膜，兩靶/射濺射系在Si(100)上沉積Cr-B-C、、性量和。/Cr-B-C配化，薄膜量對(duì)其水潤(rùn)滑性的影響?！暡ㄇ逑础鶦r-B-C→Cr-B-C→Cr-B-C薄膜的學(xué)性能316L樣→316L樣拋→316L樣超聲波清洗→Cr-B-C薄→Cr-B-C→金屬摻納米復(fù)合→處理和理論結(jié)果分析磨、清洗Si（100）樣：在 KH-100B型超聲波清洗清洗式樣。拋清洗316L樣KH-100B型超聲波清洗清洗樣?；鶈螔?M0，oSO0)。(6)數(shù)據(jù)整理、理論分析可行分析周飛教授日本東北大率先a-Ca-CNxBCNIBAD制備中摩擦果明硼（BCBNBCN）中顯示優(yōu)良的能；國內(nèi)外C學(xué)進(jìn)行了大量所以本課題方案可行。礎(chǔ)a-CNxBCNIBAD中摩擦下經(jīng)優(yōu)化織構(gòu)參數(shù)DLC、、、DLC摻雜等果。具實(shí)驗(yàn)條件度儀等儀器設(shè)?？赡苡龅嚼щy解決措施磁控濺射鍍藝參數(shù)選定通過閱讀文獻(xiàn)實(shí)踐優(yōu)化。摩擦試驗(yàn)數(shù)試驗(yàn)果參定困難在試驗(yàn)過中經(jīng)驗(yàn)。度20131、實(shí)驗(yàn)設(shè)。20132參數(shù)、試驗(yàn)、納米度、維形貌、SEMXPS、EDS）。5摩擦磨損試驗(yàn)、試驗(yàn)納米度、維形貌SEM、XPS、EDS等）。9-10試驗(yàn)數(shù)處理。2013-12完善試驗(yàn)數(shù)書寫論文。預(yù) 期 果確定藝參數(shù)。不同實(shí)驗(yàn)條件下摩擦磨損。能夠說明元素含量不同對(duì) 構(gòu)、能、摩擦影響并進(jìn)步過渡族金屬元素對(duì)其他影響。磨損機(jī)。經(jīng)費(fèi) 預(yù) 算 來 源 (含支持課題項(xiàng)目編號(hào))國家自然科金） 部件表面碳納米復(fù)合韌化及其摩擦育部“新世紀(jì)秀人才支持”） 壓機(jī)械鍵部件表面微構(gòu)微細(xì)復(fù)合加及摩擦江蘇省自然科金重點(diǎn)項(xiàng)目4） (20)UlrichS,EhrhardtH,SchwanJ,etal.Subplantationeffectinmagnetronsputteredsuperhardboroncarbidethinfilms[J].DiamondandRelatedMaterials,1998,(7):8352838677期(，1998.曾毅,張葉方,丁傳賢.化硼粉末和涂層氧化特[J].陶瓷報(bào),1998,19(4):E.A.Levashov,V.I.Kosayanin,L.M.Krukova,J.J.Moore,D.L.Olson,Surf.Coat.Technol.92(1997)34.A.Leyland,A.Matthews,Wear246(2000)1.D.Martínez-Martínez,C.López-Cartes,A.Fernández,J.C.Sánchez-López,ThinSolidFilms517(2009)1662.M.D.Abad,J.C.Sánchez-López,M.Brizuela,A.García-Luis,D.V.Shtansky,ThinSolidFilms518(2010)5546-5552.J.Emmerlich,H.H?gberg,S.Sasvári,Persson,L.Hultman,Palmquist,U.Jansson,J.M.Molina-Aldareguia,Z.Czigány,JournalofAppliedPhysics96(2004)4817–4826.J.Frodelius,Eklund,M.Beckers,Persson,H.H?gberg,L.Hultman,ThinSolidFilms518(2010)1621–1626.C.M.Beschliesser,Gibson,H.J.Musil,J.SurfaceandCoatings120–121(1999)J.-T.Ok,I.-W.Park,J.J.Moore,M.C.Kang,K.H.Kim,SurfaceandCoatingsTechnology200(2005)1418–1423.J.Lauridsen,Eklund,Joelsson,H.Ljungcrantz,E.Lewin,U.Jansson,Beckers,H.H?gberg,L.Hultman,SurfaceandCoatingsTechnology205(2010)299–305.C.M.Beschliesser,Gibson,H.J.Musil,J.SurfaceandCoatings120–121(1999)D.Vallauri,I.C.AtiasAdrián,A.Chrysanthou,JournaloftheEuropeanCeramicSociety28(2008)1697–1713.M.V.H.and74–75(1995)833–837.J.Lauridsen,N.Nedfors,U.Jansson,J.Jensen,L.Hultman,AppliedSurfaceScience258(2012)9907-9912ReigadaDC,PrioliR,JacobsohnLG,etal.Boroncarbidefilmsdepositedbyamagnetronsputter2ionplatingprocess:filmcompositionandtribologicalproperties[J].DiamondandRelatedMaterials,2000,(9):4892493.BuzhinskijOI,SemenetsYuM.Thickboroncarbidecoatingsforprotectionoftokamakfirstwallanddivertor[J].FusionEngineeringandDesign,1999,45:3432360.ValentinePG,TresterPW,WinterJ,etal.B4C2SiCreaction-sinteredcoatingongraphiteforplasmafacingcomponents[J].JournalofNuclearMaterials,1995,2202222:7562761.摘要：

文 獻(xiàn) 綜 述 不少于 6千字)B-C基薄膜材料的研究進(jìn)展主要綜述了近年來硬質(zhì)薄膜材料的發(fā)展進(jìn)程和B-C基薄膜材料的發(fā)展及應(yīng)用，描述了碳化硼材料的基本結(jié)構(gòu)、主要性能參數(shù)、碳化硼薄膜的各種制備方法。重點(diǎn)以Ti-B-C為例，闡述了Me-B-C的制備方法和薄膜成分，在研究其機(jī)械性能的基礎(chǔ)上分析了金屬元素的加入對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響，以及薄膜中碳元素的含量對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的影響規(guī)律。國內(nèi)外研究成果證明，B-C基薄膜材料具有高硬度、高彈性模量、低摩擦系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于刀具涂層和其他摩擦部件。所以如何制備更均勻致密的B-C基薄膜，提高薄膜與基體之間的結(jié)合力，降低薄膜內(nèi)應(yīng)力仍是今后研究的重點(diǎn)。引言所謂硬材料系硬度Hv的材料。制的進(jìn)加材料來金屬的發(fā)展是高、和的出對(duì)刀具發(fā)展史上的一次革命。將硬薄膜材料鍍于金屬刀具表面正適應(yīng)了制對(duì)金屬刀具的高要求金屬刀具基體保持了其較高的強(qiáng)度鍍于表面的“硬、強(qiáng)韌、耐磨、自加過程中的耐用度和適應(yīng)性。此外許在磨擦環(huán)境中使用的部件硬質(zhì)薄膜材料可以廣泛應(yīng)用于機(jī)械制汽車紡織地質(zhì)鉆探模具航空航天等領(lǐng)域?？寡趸訹1]。N是第一個(gè)產(chǎn)化并廣泛應(yīng)用的硬質(zhì)薄膜材料，后又開發(fā)Ti和N，其TiN20GPa28GPaTiC設(shè)計(jì)TiC-TiCN-TiN層復(fù)合膜，此外，還有TiC-TiCN-Al2O3-TiN，TiAlN-MoS2，TiAlN-WC/CTiAlNTi,它也具有28GPaAlAl2O3,因此TiAlN800eTiN500e之后TiAlN以(CrN)(約但是它有很強(qiáng)的耐磨損性能而它的抗氧化和附能力也不錯(cuò)常將它用作制備(HfN)，2 3 HfN硬質(zhì)薄膜材料高溫硬度高適用于高速切削刀具耐磨性比N高倍甚至超AlO(MoN)2 3 少磨損適合加工T合金N合金耐熱合金等。三元化合物BCB1C2.88S0.35和S3N2C216采用PVD63~65GPa。過渡金屬的氮化物、碳化DLC的研究取得了令人矚目的進(jìn)步。像含氫DLCDLC有較大區(qū)別。超高真空中含氫DLC度，大內(nèi)力。不含氫的C在真空中的摩擦系數(shù)為，磨損很。加其摩0.6降到0.07DLCDLC，DLC[2]DLC具、發(fā)機(jī)、機(jī)和機(jī)的片等。質(zhì)硬，)、、達(dá)、減膜、膜、顯、學(xué)、人(膜等)都用。升,110，它是硬的材料]。，碳化硼還具有高、低度、高性、系的具、具、、、研、等)]用其低度和高性，碳化硼質(zhì)材料]；利密特正陶瓷噴[6]偶以及轉(zhuǎn)換；利B10吸收子屏蔽材料等[78]。盡管,以下幾缺:①斷裂韌(KIC約2過高的結(jié)溫度(約化能力在空中0開化,900℃迅氧)；④對(duì)差,除AgCuZn,幾乎與所塊,,復(fù)論與技術(shù)斷展提供新契技術(shù)日益受視。始致同時(shí)族素使分觀形貌發(fā)生改變抗提例，Ti-B-C、Al-B-C、Ni-B-C、Ti-B-CB-C基薄膜材料的性質(zhì)BBBC最早認(rèn),B-C二共存13種同分,即B16C、BBBC3B13

1

1

3

6C

7C

8C

1

2

1

1、B2

3C

。直到19342132,才確B4C唯1950,確相B4.0132C-B10.5CB4C[9]。,D53d

3Rm,),c=12.12?,

6618'15,12(B

11C),3C-B-CC-B-C,],%%,,C-B-CB11C;,C-B-BC-B-C,C-B-C;8.8%,,B11CB12,,[11]。4 ,,COBC,H12004 43 2 4 4 2 3 3 3 以才開始BC輕微侵侵,,如HNOHSOHClO;BOHBOHBO,侵[11]p,1出能參43 2 4 4 2 3 3 3 1能參數(shù)能 參數(shù)熔2723K密度4理論密2.52g·-3，著減小，范圍2.52～2.465g·-3(410.4C)維氏硬維氏硬4824·-2(2090℃)努普硬2900·-2彈模360460GPa,240GPa,234GPa泊松比 0.10.18剪切模158188GPa率 35·-1·-1(2580℃。42W·-1·-1(室)。壓4率還與孔粒關(guān),孔0.08,率17W·m-1·K-1膨脹系4×1-68×1-6-150℃4.×1-6-1(室100℃平值)12.7Cal·mol-1·K-1(300K1.6674.804×10-4T-75997.88/T2(J·g-1·K-1)電率 10Ω-·-1,10310Ω-·-1(133,300K1500K)電阻率 2×0-Ω·,1-Ω·m能帶 0.71V:C=2450)介電5系200300V·-1(1250K)0.5×10-3K-1(10at%,1273K)品質(zhì)因子0.85×10-3K-1(13.3at1273K)155MPa(98℃)162MPa(142℃),400MPa,25300MPa,拉伸強(qiáng)度300MP抗彎強(qiáng)510520MPa,2418MPa斷裂強(qiáng)2.93.7MPa·1/2碳化硼涂層的制備方法-液,不,能。(PVD)(CVD),D(40),BCDBC,但[13,14]PVD,Dμ～0μ,危險(xiǎn)性B2H6BCl3等。包括蒸鍍、濺射、離子鍍等,是在真空室中以加熱荷能粒子轟擊鍍料表面等,使鍍料以原子離子形式在底上形成表面涂層碳硼涂層PVD(diode)(PLD)真空等[3,17]。中。磁控濺射離子鍍涂層,表面,包括、、表面(用涂層粘接能力涂層性能緊密關(guān)一步表面,送入真空室后,用Ar+離子表面轟擊一般真空室本底真空～10-4PaAr作濺射壓～10-1Pa降碳硼涂層中含氧,涂層用Ar等離子碳硼靶件,涂層中氧含等離子時(shí)間直接關(guān)了改善提時(shí)B4C升近年來,一種被稱作調(diào)諧頻(SubstrateTunedRadioFrequencyMagnetronSputtering)技術(shù)運(yùn)用碳硼涂層成百厚碳硼,均勻BC比4,內(nèi)應(yīng)力顯很體結(jié)性好實(shí)際應(yīng)用景。(PulsedLaserDeposition,PLD)稱融(LaserAblation)束入射固體靶,產(chǎn)生原子子,這些能原子子在真空中擴(kuò)散并體目PLD碳硼涂層并,涂層C/B比結(jié)狀都與激光通密關(guān)。(CVD)是在下,使混體體表面互作導(dǎo)致混合體中某些成解,在體上形成固涂層用碳硼涂層常(c-CVD、等離子(PECVD、熱(HotFilament,HFCVD)、同步加熱輻照SRCVD)等常規(guī)CVD在壓下同量碳硼PECVD在遠(yuǎn)發(fā)生熱-反應(yīng)壓力下碳硼,等離子表面PECVDHFCVD在燈絲(通常達(dá)0～0)驅(qū)體熱裂解,體燈絲輻照加熱,表面一般50,碳硼在真空中完成以避免氧染同中,因、、體成,能涂層性能。以成均勻致密碳硼涂層目CVD碳硼涂層研中在、涂層性能等面,,熱力、質(zhì)[11]。法等離子涂是B4C粒(粒)等離子中,分熔化、部分過熱(取決于微粒大小)的粒子轟擊基體、展平并形成涂層。等離子法制備碳化硼涂層有兩個(gè)制約因素:①碳化硼的高熔點(diǎn)、高比熱、很難熔化難以制得致密的涂層;②碳化硼在高溫下會(huì)發(fā)生氧化,通常不能在大氣中噴涂。目前國際上成功制得的碳化硼涂層是采用高壓噴涂,即在高壓艙內(nèi)注入惰性氣體,其壓力約為200kPa,這樣不僅避免了碳化硼的氧化,還使等離子體射流能量密度增加改善粉末顆粒的熔化。,,等離子噴涂法可實(shí)現(xiàn)～厚的B4涂層。但直接噴涂在基體上的涂層厚度受到限,解,,,,,B4C[18],B4C/Cu1mm,,的,、噴。,5%),熱率基體的度較[19]。比氣體法、法、等離子離子[20]等B-CB-C基金屬復(fù)合薄膜的制備方法Ti-B-CB-C2[21]TiCTiB6040的22為Ti、B%、C26.8率在%。C涂層A+射TCB陶和度為)制備成。接射TCB2接直流方率分為z、。前真空內(nèi)壓力為3×1P在的過程22 中增加。通過改射功率的比制備素量不的C涂層R為加在和TiCTiB功率的比其的化為0～3.加在TiB上功125W～250W,0～375W的功率和制備的素成2 2涂層的成和素成成件 素成CR0—CR0—250312445R0.250250361747R0.5125250401743R1250250491239R2250125611425R3375125711217

(W) C% B% Ti% 化學(xué)量TiB0.53C0.70TiB0.36C0.78TiB0.39C0.90TiB0.31C1.27TiB0.59C2.48TiB0.75C4.35B-C基金屬復(fù)合薄膜的機(jī)械性能1銹鋼基體上XRD圖1XRD35TiB2(100)2合物C曲線x 2C[22]x 3H(GPa)E(GPa)H(GPa)E(GPa)H/EH3/E2(GPa)μk(mm3/Nm)R023.8±0.89177±70.1350.4320.79±0.032.1×10?5±8.6×10?7R0.228.1±2.07201±80.1400.5500.70±0.021.5×10?5±2.1×10?6R0.526.0±3.83216±70.1420.6170.73±0.122.8×10?5±1.1×10?6R130.7±3.83216±70.1420.6170.33±0.038.5×10?6±1.8×10?6R222.2±2.33171±50.1300.3760.24±0.012.0×10?6±1.0×10?6R324.6±1.23183±70.1340.4430.10±0.027.1×10?7±9.7×10?8上面3列了包括他們硬、彈模、系磨損率都很低，到%91×0m當(dāng)(30%～45%)時(shí)系數(shù)磨損率0.72.0×10-5mm3/Nm50%71%3aR0R0.2、R0.5091、2R3則明顯較從0.30.13b則顯示了著不同痕深度的能3劃痕深度x y x 研究發(fā)現(xiàn)制備XRDXPS都顯示說明沉積C而且不同C幾乎沒有影響同x y x 形成改善了機(jī)械性能[24]。束語發(fā),硼材料本不因,發(fā)越性能了,使硼材料具有應(yīng)用前景。過程中入金屬形成C也改善機(jī)械性能這樣應(yīng)用在具能改善具具使制備、性能Me-B-C高與之間力應(yīng)力研究重點(diǎn)。參考文獻(xiàn)316期VoevodinA.A,WalckS.D,ZabinskiJ.S,ArchitectureofmultilayernanocompositecoatingswithSuperharddiamond-likecarbonlayersforwearprotectionathighcontactloads[J].Wear,1997,203~204:516~527.UlrichS,EhrhardtH,SchwanJ,etal.Subplantationeffectinmagnetronsputteredsuperhardboroncarbidethinfilms[J].DiamondandRelatedMaterials,1998,(7):8352838.丁碩,溫廣武,雷廷權(quán).碳化硼研究進(jìn)[J].科學(xué)與工藝,2003,11(1):1012105.孫志杰,研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)J宇航工藝,2000,(5):10214.丁 碩,溫廣,雷廷.碳化硼研究進(jìn)[J].科學(xué)與工藝,2003,11(1):1012105.GebhardtO,GavilletD.SIMSimaginganalysesofin-reactorirradiatedboroncarbidecontrolrodsamples[J].JournalofNuclearMaterials,2000,279:3682371.GwailySE,BadawyMM,HassanHH,etal.Naturalrubbercompositesasthermalneutronradiationshields[J].PolymerTesting,2002,21:1292133.綜述J].導(dǎo)報(bào)1994469272.VastN,BessonJM,BaroniS,etal.Atomicstructureandvibrationalpropertiesoficosahedralα2boronandB4Cboroncarbide[J].ComputationalMaterialsScience,2000,17:1272132.SezerAliO,BrandJI.Chemicalvapordepositionofboroncarbide[J].MaterialsScienceandEngineering,2001,B79:1912202.AbzianidzeTG,EristaviAM,ShalamberidzeSO.Strengthandcreepinboroncarbide(B4C)andaluminumdodecaboride(α-AlB12)[J].JournalofSolidStateChemistry,2000,154:1912193.TerryHu,LynnSteihl,WilliamRafaniello,etal.Structuresandpropertiesofdisorderedboroncarbidecoatingsgeneratedbymagnetronsputtering[J].ThinSolidFilms,1998,332:80286.ChenHai2Ying,WangJing,YangHai,etal.Synthesisofboroncarbidefilmsbyionbeamsputtering[J].SurfaceandCoatingsTechnology,2000,1282129:3292333.ReigadaDC,PrioliR,JacobsohnLG,etal.Boroncarbidefil