1、上海电力学院本科毕业设计（论文）题 目： 接触力学与低摩擦耦合的纳米 金刚石力学行为研究 院 系： 能源与机械工程学院 专业年级： 机械设计制造及自动化 2013171 班 学生姓名： 杨闰 学号： 20132704 指导教师： 陈乃超 2017 年 6 月 12 日上海电力学院毕业设计论文目录目录摘 要Abstract第一章 绪论 .11.1 纳 米 金 刚 石 薄 膜 的 研 究 背 景 .11.1.1 微 米 金 刚 石 涂 层 的 缺 陷 .11.1.2 纳 米 金 刚 石 涂 层 的 优 点 及 应 用 前 景 .11.2 纳 米 金 刚 石 的 研 究 现 状 .11.2.1 纳
2、米 金 刚 石 的 表 征 .11.2.2 纳 米 金 刚 石 薄 膜 的 机 械 性 能 .1第二章 CVD 法制备金刚石薄膜的相关原理 .12.1 纳 米 金 刚 石 膜 制 备 方 法 .12.2 HFCVD 法 制 备 纳 米 金 刚 石 薄 膜 .12.2.1 热 丝 碳 化 工 艺 .12.3.1 Si3N4 陶 瓷 的 性 质 .12.3.2 陶 瓷 基 纳 米 金 刚 石 涂 层 的 制 备 .12.3.3 沉 积 技 术 .1第三章 纳米金刚石膜的制备实验与表征 .13.1 实 验 设 备 简 介 .13.2 热 丝 的 选 择 .13.3 实 验 方 案 与 参 数 .13
3、.4 纳 米 金 刚 石 薄 膜 的 表 征 .13.4.1 扫 描 电 子 显 微 镜 .1第四章 相关接触力学原理及压痕实验 .14.1 相 关 固 体 接 触 力 学 原 理 .14.1.1 Hertz 弹 性 接 触 理 论 .14.2 纳 米 金 刚 石 薄 膜 的 残 余 应 力 .14.2.1 残 余 应 力 产 生 的 原 因 .14.3 压 痕 实 验 .14.3.1 粗 糙 度 测 试 .14.3.2 压 痕 测 试 .14.3.3 结 果 表 征 与 分 析 .14.3.4 结 论 .1第五章 总结与讨论 .1参考文献 .1致谢 .1附录 外文翻译 .1接触力学与低摩擦耦
4、合的纳米金刚石力学行为研究1接触力学与低摩擦耦合的纳米金刚石力学行为研究摘 要纳米科学与技术是近些年来世界各国科研人员研究的热点，而在纳米科技领域中，纳米材料科学是复杂，但前景辽阔，所以是很值得研究的一个科学分支。纳米金刚石涂层膜可以提高工程基底材料的许多表面特性，包括耐侵蚀，耐腐蚀性和耐磨性。此外，切割的金刚石表面具有很低的摩擦系数，这使其成为许多对表面粗糙度要求高的场合的理想选择。而且，已经证明通过热丝化学气相沉积（HFCVD）技术获得的金刚石膜可以应用于很多特殊场合，使得它们成为关键的技术应用。与传统的高压高温（HPHT）钻石相比，这种技术也显着降低了人造金刚石的成本。与微米金刚石（MC
5、D）涂层相比，纳米金刚石（NCD）涂层具有较小的表面粗糙度，摩擦系数，以及较小的表面磨损量等优良性能。但纳米金刚石 NCD 涂层硬度较小，耐磨损性能较差，较容易出现磨损失效,因此不能在工程领域进行广泛应用。因此进一步研究 NCD 涂层，并对其进行接触力学分析，研究其力学行为，对扩大纳米金刚石的应用范围有很重要的现实意义。关键词：纳米金刚石；热丝化学气相沉积；摩擦磨损；接触力学上海电力学院毕业设计论文2Study on Contact Mechanics and Mechanical Behavior of Nano-Diamond Coupled by Low FrictionAbstract
6、Nanoscience and nanotechnology are the hotspots of researchers around the world in recent years. In the field of nanoscience and nanotechnology, nanomaterial science is complex, but the prospect is very broad, so it is a scientific branch worthy of study. Nano-diamond coatings can improve many of th
7、e surface properties of the engineering base material, including corrosion resistance, corrosion resistance and abrasion resistance. In addition, the diamond surface has a very low coefficient of friction, making it ideal for many occasions where the surface roughness requirements are high. Moreover
8、, diamond films obtained by Hot filament chemical vapor deposition (HFCVD) techniques have been shown to be useful in many special applications, making them a key technology application. Compared with traditional high pressure high temperature (HPHT) diamonds, this technology also significantly redu
9、ces the cost of synthetic diamonds.Compared to micron diamond (MCD) coatings, nano-diamond(NCD) coatings have excellent surface roughness, coefficient of friction, and small surface wear and other excellent performance. However, NCD coating hardness is small, wear resistance is poor, more prone to w
10、ear failure, it can not be widely used in engineering. Therefore, further study of NCD coating, and its contact mechanics analysis, to study its mechanical behavior, to expand the application of nano-diamond has a very important practical significance.Key words: Nanocrystalline Diamond; HFCVD;Fricti
11、on Wear; Contact Mechanics接触力学与低摩擦耦合的纳米金刚石力学行为研究3第 一 章 绪 论1.1 纳 米 金 刚 石 薄 膜 的 研 究 背 景由于钻石的美丽，人们对钻石的迷恋可以追溯到数千年前，在过去，钻石不仅是美丽的装饰品，而且是身份的象征。钻石一直被人类赋予神秘和传奇的色彩。钻石具有独特的光学特性和物理特性，是十分罕见的宝物，因此几千年来人类从未停止对它的研究。随着科技的发展，人类渐渐的发现它是一种由碳元素组成的天然矿物，具有极高的硬度，使它由单纯的饰品开始演变为工程上的关键材料。第一批和合成的金刚石是在上世纪 50 年代，采用了高温高压（HPHT）的方法合成，
12、并且在接下来的十年金刚石的制造产业规模迅速扩大。由于合成钻石价格低廉，且具有天然钻石的相关物理性能，人们对金刚石的兴趣有很大提升，促使大量的人去研究这一材料。在当时，人造金刚石主要作为切割工具。直到 20 世纪 80 年代，日本科学家 Seiichiro Matsumoto and Nobuo Sekata 对金刚石的合成工艺进行了优化，使用化学气相沉积法（CVD）来生产金刚石，将原来难以达到的高压合成环境变成低压。与高温高压金刚石不同，化学气相沉积金刚石可以作为微米颗粒或纳米颗粒结晶成薄膜，这种薄膜可以用作耐磨涂层。金刚石具有很高的化学稳定性，使得这种薄膜有很强的耐腐蚀性。金刚石的第一次医疗
13、用途是作为人造髋关节部件的耐磨涂层。人类还研究了具有金刚石膜的心血管支架和牙科用的抗腐蚀涂层。为了确定金刚石植入人体有没有危害，人们广泛研究了金刚石和类金刚石涂层的细胞毒性。研究表明金刚石和类金刚石涂层一般不会显示出细胞毒性。因此，金刚石样涂层已经被用于各种领域，包括食品包装，甚至使用类金刚石碳膜涂覆塑料材料的工艺。1.1.1 微 米 金 刚 石 涂 层 的 缺 陷随着科技的发展，用化学气相沉积法来生产和制备微米金刚石膜的技术已经相对成熟，并且它的应用范围越来越广。但随着人们对金刚石薄膜物理和化学性能要求的提高，它的缺点越来越明显，很难继续进一步应用。表面粗糙度是材料重要的物理性能，而微米金刚
14、石薄膜在这方面的性能并不优越，这使上海电力学院毕业设计论文4得它很难应用于对表面质量要求很高的场合，因此要对它进行抛光打磨和光整，以此来减小其表面粗糙度。但金刚石具有极高的硬度和电阻率以及化学惰性，使其难以进行抛光平整加工。近些年来，各国许多科学家对降低金刚石薄膜的表面粗糙度进行了研究，但一直没有显著的成效。微米金刚石内部存在应力和缺陷。缺陷使得金刚石膜在各个方向的耐磨性不同，其韧性也比较低。因此做成的道具并不适合冲击大的加工条件，而且，对于 CVD 金刚石涂层，膜与基地间结合晶格适配以及膜的应力等使得膜与基底粘接强度并不高，工件使用寿命较低。而且，当薄膜厚度过大时，很容易脱落，薄膜厚度达到最
15、大剪应力深度时，MCD 薄膜的冲蚀磨损性能也会有显著的下降。1.1.2 纳 米 金 刚 石 涂 层 的 优 点 及 应 用 前 景纳米金刚石薄膜具有极其优异的化学和物理特性，如低摩擦系数，高硬度，高弹性模量，高绝缘，高热导以及良好的化学稳定性，因此，纳米金刚石薄膜在各个工业领域有极其广泛的应用前景。表 1-1 光学级金刚石膜的光学特性光 学 性 能 光 学 级 CVD 金 刚 石 膜 天 然 金 刚 石 膜透 明 性 225nm 到 远 红 外 225nm 到 远 红 外光 学 性 能 光 学 级 CVD 金 刚 石 膜 天 然 金 刚 石 膜在 8-12 m 的吸 收 系 数 /cm-10.
16、1-0.3（ 20 ）0.2-0.6（ 200 ）0.03-0.05（ 20 ）在 10 m 的 折 射 率 2.38 2.376微 波 介 电 性 质 =5.7， tan 410-413.6GHz =5.61 ，卤 0.05tan （ 6 10-435GHz塑料是材料领域的一项重大发明，CVD 金刚石薄膜的问世，被各国科学家誉为继塑料以来材料领域的一项最伟大的发明。所以，这一材料受到各国的高度重视，日本，没过，英国，俄罗斯等国家都把它列入国家重大发展项目。化学气相沉积是一种高温下的气相反应，它可以在基底表面形成一层致密的薄膜。通过这种工艺加工出来的材料，具有特殊的物理性能和化学性能，是普通加
17、工方法难以达到的。CVD 工艺和 HPHT 工艺一样，也采用了金刚石晶种沉积在活性碳源基底上，增加了晶体的尺寸。在它最简单的形式中，CVD 工艺的进行也需要金刚石晶种，将含碳气体与过饱和氢气混接触力学与低摩擦耦合的纳米金刚石力学行为研究5合在一起。在所有的 CVD 工艺中，气体混合物中氢原子的存在，决定了碳原子的形式是金刚石还是石墨。为了促进 CVD 金刚石的产业化进程和基础研究，研究人员一直在努力克服 CVD 金刚石膜的结构缺陷。现有两种方法可以提高薄膜的机械强度和韧性，降低表面粗糙度。首先是利用外延生长大单晶金刚石薄膜，特别是异质外延生长的单晶金刚石薄膜。但是 CVD 技术也具有一定的局限
18、性，只能进行小面积的同质外延及异质衬底上的结构生长。短期内，对于大面积的异质外延单晶金刚石膜的生长技术仍然很难以突破。 （10）其次是生长纳米结构的金刚石薄膜。纳米技术是当今世界高科技发展具有广阔前景的方向之一，各国都有相应的科研群体。当材料颗粒的尺寸从微米量级向纳米量级变化时，由于纳米颗粒的尺寸效应、表面效应、量子效应和界面效应等，使它具备常规材料不具备的优良物理性能和化学性能。金刚石和集中型半导体材料的电学性能如下表所示表 1-2 金刚石和集中型半导体材料的电学性能材 料 Si GaAs SiC 金 刚 石禁 带 宽 度(eV)1.1 1.4 2.2 5.5介 电 常 数 11.9 13.
19、1 9.7 5.7材 料 Si GaAs SiC 金 刚 石电 子 迁 移(cm2/Vs ) 1500 8500 1000 2200空 穴 迁 移(cm2/Vs )450 400 700 1800饱 和 电 子 漂 移 速(cm/s )1107 2107 2107 2.5107击 穿 电 压 (V/cm )3106 4106 4106 3.5106热 导 率(W/cmK )1.5 0.5 4.9 20纳米技术是当今时代最先进的技术之一，当材料做成纳米材料后，就会具有一些宏观块体没有的性质，像小尺寸效应，宏观量子隧道效应等，从而表现出一些反常的性质或者出现一些新的特点。这使得纳米材料具有很多特殊
20、的性能，如良好的韧性和延展性，极高的强度，并且制备成薄膜能够显著的起到增加材料强度和韧性的作用，金刚石薄膜刀具就是机床刀具领域的一个很大的突破。随着科技的迅速发展，需大规模的加工和使用轻量化同时具有高强上海电力学院毕业设计论文6度的材料。用具有最高硬度的金刚石所加工制造成的刀具具有长寿命，高加工精度和高加工质量等显著的优良性能。而用化学气相沉积法直接将金刚石薄膜沉积在刀具表面，不仅降低了成本，而且可以制造出形状复杂的金刚石涂层刀具，在机械材料加工领域具有非常广泛的应用前景。随着微机电系统发展，在许多场合都需要微型化，纳米化的元器件。在电子学方面，金刚石比现有的半导体材料具有更低的介电常数，更高
21、的禁带宽度以及更高的电子及空穴迁移率。同时，金刚石也具有很高的导热率。它可以用来制作告诉计算机芯片和固体功率放大器，工作的温度可超过 500 度。金刚石制备的电子器件已经取得了丰硕的成果，金刚石薄膜热敏电阻，金刚石薄膜发光管以及金刚石薄膜场效应管，都是金刚石薄膜在电子学应用领域很大的突破。目前常用的光学窗口材料有石英、ZnS、ZnSe 、Ge、Si 等。但由于材料强度较低，在某些恶劣的环境并不能起到作用，而且会因为温度的增加，降低信号的接收，甚至接收不到信号。但金刚石具有优越的透波性能，高导热性以及高硬度，成为了目前最好的红外保护材料和窗口材料。如果材料表面过于粗糙，又将引起的散射，使得光学元
22、件的透过性能小低。所以使用纳米金刚石薄膜，可以克服这些鼓励，对光学元件起到高效的增透作用以及有效的保护作用。因此金刚石膜作为光学涂层，在光学领域具有非常好的应用前景，在军事上，用作红外窗口的保护性涂层。在民用方面，可以作为红外在线监测和控制一起的光学元件涂层，一次来适用恶劣的工作环境（冶金、化工等） 。1.2 纳 米 金 刚 石 的 研 究 现 状10 年前，纳米金刚石薄膜成功制备是人类在材料领域的一个重大突破，随着人们探索程度的不断深入，我们对纳米金刚石的认识越来越清楚，更加了解它的性能，但是对于纳米金刚石薄膜的表征方法，制备机理和性能的研究还需要进一步深入，在业内存在很多分歧，仍未达成广泛
23、的共识。金刚石膜的工业化生产要求能够实现高重复性和可靠性的大面积均匀生长 如何有效地离解反应气体 进而提高活性基团的密度和其空间分布的均匀性 是化学气象沉积工艺进一步发展的关键所在 随着制备工艺的不断发展与完善，相信在 21 世纪金刚石膜器件到更大的发展。接触力学与低摩擦耦合的纳米金刚石力学行为研究71.2.1 纳 米 金 刚 石 的 表 征由于纳米金刚石晶粒极小、处在晶界的碳原子的数目大大增加。据推算，当平均晶粒度为三到五纳米时，晶界处的原子数会超过百分之十，如何表征纳米金刚石薄膜，已经成为学术界关注的焦点。目前，有多种现代化分析手段可以表征纳米金刚石薄膜。拉曼光谱是一种散射光谱，它可以分析
24、与入射光频率不同的散射光谱，从而得到分子的转动振动方面的信息，是研究分子结构的一种重要的分析方法。原子力显微镜（Atomic Force Microscope）是一种具有原子力高分辨的仪器。AFM 也是表征纳米材料的一种有效方法，能够得到纳米金刚石薄膜微观表面的三围图像。通过所得到的数据分析，可以获得晶粒粒度分布以及微观表面粗糙度等重要信息。另外标准电子组件 FMSEM 与 ESEM 也是表征纳米材料的手段。扫描电子显微镜的制造依据是电子与物质的相互作用。扫描电镜从原理上讲就是利用聚焦得非常细的高能电子束在试样上扫描，激发出各种物理信息。通过对这些信息的接受、放大和显示成像，获得测试试样表面形
25、貌的观察。SEM 可以显示表面亚微米级的形貌特征，入射波为离子，检测信号为电子，放大倍数可达四十万倍，并且具有很高的分辨率。AFM 的原理是当原子间的距离足够小时，原子间的作用力将会被大幅度提高，因此通过显微探针的受力情况就可以得到样品表面的高度，从而对样品进行表征。目前有三种原子力显微镜，分别为接触式，非接触式和轻敲式。它可以对非导体样品进行表征，并且具有很高分辨率。X 射线衍射(XRD )，x 射线是一种电磁波，它的频率很高，大于紫外线，小于 射线，波长很短，约为 0.01-10nm。虽然肉眼看不见，但这种电磁波可以使某些材料（如铂氰化钡）发生可见荧光。具有跟高的穿透能力，能杀死生物细胞，
26、因此在使用的时候要特别注意防护。将具有一定波长的 X 射线 照射到结晶性物质上时，X 射线因在结晶内遇到规则排列的原子或离子而发生散射，散射的 X 射线在某些方向上相位得到加强，从而显示与结晶结构相对应的特有的衍射现象。本法的特点在于可以获得元素存在的化合物状态、原子间相互结合的方式，从而可进行价态分析。Raman 光谱散射也是分析金刚石薄膜结构的一种手段。散射是光与物质分子、原子相互作用的一种形式，光与物质的相互作用可分为反射、散射、吸收、透射等。拉曼散射指的是，入射光与物质的分子原子相互作用，由于分子转动、振动能级、电子能级月前引起散射光频率发生变化的光散射现象，因此可以对碳原子之间的化学
27、键类型进行分析，从而分析出表面上海电力学院毕业设计论文8结构是金刚石还是石墨或其他碳类材料。透射电子显微镜(TEM)是研究微观结构的一种非常有效的工具，具有高分辨率，高放大倍数等优点。由电子光学系统，电源与控制系统及真空系统三部分组成。TEM 的支持膜样品必须满足以下条件：对电子束的吸收不大、颗粒度小、有一定的强度和刚度。而对于以上几个条件，所需制备的纳米金刚石薄膜都满足。透射电镜的主要特点是可以对样品的组织形貌与晶体结构进行分析，得到反映样品组织形态的形貌图像，从而可以直接显示出所测量样品内部的晶体学特征。因此，透射电子显微镜(TEM) 可以用于研究材料科学中的相变以及分析材料的缺陷。薄膜样
28、品的制备分为三步：切取薄块（厚度小于 0.5mm） ；预减薄，用机械研磨，化学抛光、电解抛光减薄成薄片（0.1mm） ；终减薄，用电解抛光，离子鸿基减薄成薄膜（小于 500nm） 。在制备过程中，应避免引起组织结构变化，不用或少用机械方法。膜后测量仪，主要有激光测厚仪，纸张测厚仪，涂层测厚仪，超声波测厚仪等等。其中涂层测厚仪是使用电磁感应的原理来测量厚度，利用探针接触样品，探针和样品之间将形成磁回路，引起磁阻和探头线圈电感变化，测得涂层厚度。1.2.2 纳 米 金 刚 石 薄 膜 的 机 械 性 能目前，国内外学者对纳米金刚石的研究取得了一定才成果，主要集中在医学涂层，光学涂层和电子器件方面。金刚石具有极高的硬度，很好的耐磨性等的力学性能，虽然在恶劣环境应用方面去得了进展，但也正是这一特点，使目前对金刚石力学性能的测试分析更加困难。由于热膨胀系数不同，金刚石涂层工件使用过程中温度升高，将产生热残余应力。涂层结构系统应用广泛，热应力在设计和使用寿命中起重要作用，温度变化时，由于膜和基底的不同的热膨胀系数将导致热应力，这可能导致系统的大的变形或者甚至沿着界面的分层。热应力几乎不可避免，也是系统在机械故障不可避免的主要原因之一。由此可见，为了提高纳米金刚石在工业生产中的适用范围以及更高的利用这一材料，对金刚石薄膜进行接触力学分析起着至关重要的作用。
