硕士课题论证报告资料

学告号SX专 业 机械设计及理方向 薄膜摩擦学指导教师 周飞教授年 月 日C仅次于立方硼超材料也具有应用[1]B-C基材料大量滑油泄然用润滑系统换油润滑系统众所周知具有安全无污价廉核系统、、加工机械、、领域。沸点低粘低强因此力差造副粘着磨[2]若在润滑部件滑动沉积B-C基既利用材料优良用碳硼以系。综上所述保护节约重大要求与润滑相匹配低系B-C基材料具有大。内外状首先由Jol在188功标记B建议组BC，有[3]碳硼方也有、、应方[18-20]碳硼于具有、量、、、系一系于作,而引起界重视。碳硼广泛应用大量发碳硼也有性稳定[4]步改善其内外发在B-C基基加以系量以抗氧力。0d用磁控溅射方法利用TC︰B2陶瓷靶]墨靶素含量不相同C发所C可达a弹模量H3E27这说明C韧塑变形这是由于有[6,7]而且还发随着碳素含量增加数磨率明显降低含增数由9降1，2.1×10-5mm3/Nm7.1×10-7mm3/Nm(30%～45%)系数大系在0.7在2.0×10-5mm3/Nm碳素量加以系碳量[8]。2.磁控溅射法真空沉积]利用BC材在不同基上Ti-B-C纳米详细描述所几种中[11,12]方法C低于Ti]没有因加入B素而增加[12,14-16]而且素[17]。课 题 研 究 方 案具体的研究内容、研究目标和拟解决的关键问题Cr-B-C薄膜的制备工艺根据现有的文献资料和实验室所具备的实验条件，确定采用磁控溅射的方法制备Cr-B-C薄膜，参考已有的Ti-B-C薄膜的制备工艺确定Cr-B-C薄膜制备参数。不同工艺参数对Cr-B-C薄膜组成成分的影响采用B4C靶和铬靶共同溅射的方式制备Cr-B-C薄膜，加在两种靶材上的功率比不同，所沉积的薄膜的化学组成也就不同，研究不同的参数下Cr-B-C薄膜的组成成分。Cr-B-C薄膜的水润滑摩擦学特性的研究利用摩擦试验机测量Cr-B-C通过相关公式计算磨损率，研究Cr-B-C薄膜的水润滑摩擦学特性。研究目标：Cr-B-CCr-B-CCr-B-CCr-B-C关键问题：确定Cr-B-C薄膜的制备工艺对所制备的Cr-B-C。Cr-B-C薄膜在水润滑条件下的摩擦学实验。拟采的研究方法膜，两靶/射溅射系在Si(100)上沉积Cr-B-C、、性量和。/Cr-B-C配化，薄膜量对其水润滑性的影响。→超声波清洗→Cr-B-C→Cr-B-C→Cr-B-C薄膜的学性能316L样→316L样抛→316L样超声波清洗→Cr-B-C薄→Cr-B-C→金属掺纳米复合→处理和理论结果分析磨、清洗Si（100）样：在 KH-100B型超声波清洗清洗式样。抛清洗316L样KH-100B型超声波清洗清洗样。基单抛/M0，oSO0)。(6)数据整理、理论分析可行分析周飞教授日本东北大率先a-Ca-CNxBCNIBAD制备中摩擦果明硼（BCBNBCN）中显示优良的能；国内外C学进行了大量所以本课题方案可行。础a-CNxBCNIBAD中摩擦下经优化织构参数DLC、、、DLC掺杂等果。具实验条件度仪等仪器设。可能遇到困难解决措施磁控溅射镀艺参数选定通过阅读文献实践优化。摩擦试验数试验果参定困难在试验过中经验。度20131、实验设。20132参数、试验、纳米度、维形貌、SEMXPS、EDS）。5摩擦磨损试验、试验纳米度、维形貌SEM、XPS、EDS等）。9-10试验数处理。2013-12完善试验数书写论文。预 期 果确定艺参数。不同实验条件下摩擦磨损。能够说明元素含量不同对 构、能、摩擦影响并进步过渡族金属元素对其他影响。磨损机。经费 预 算 来 源 (含支持课题项目编号)国家自然科金） 部件表面碳纳米复合韧化及其摩擦育部“新世纪秀人才支持”） 压机械键部件表面微构微细复合加及摩擦江苏省自然科金重点项目4） (20)UlrichS,EhrhardtH,SchwanJ,etal.Subplantationeffectinmagnetronsputteredsuperhardboroncarbidethinfilms[J].DiamondandRelatedMaterials,1998,(7):8352838677期(，1998.曾毅,张叶方,丁传贤.化硼粉末和涂层氧化特[J].陶瓷报,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.Högberg,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.Högberg,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.Högberg,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 献 综 述 不少于 6千字)B-C基薄膜材料的研究进展主要综述了近年来硬质薄膜材料的发展进程和B-C基薄膜材料的发展及应用，描述了碳化硼材料的基本结构、主要性能参数、碳化硼薄膜的各种制备方法。重点以Ti-B-C为例，阐述了Me-B-C的制备方法和薄膜成分，在研究其机械性能的基础上分析了金属元素的加入对薄膜结构和性能的影响，以及薄膜中碳元素的含量对薄膜结构和机械性能的影响规律。国内外研究成果证明，B-C基薄膜材料具有高硬度、高弹性模量、低摩擦系数等优点，可应用于刀具涂层和其他摩擦部件。所以如何制备更均匀致密的B-C基薄膜，提高薄膜与基体之间的结合力，降低薄膜内应力仍是今后研究的重点。引言所谓硬材料系硬度Hv的材料。制的进加材料来金属的发展是高、和的出对刀具发展史上的一次革命。将硬薄膜材料镀于金属刀具表面正适应了制对金属刀具的高要求金属刀具基体保持了其较高的强度镀于表面的“硬、强韧、耐磨、自加过程中的耐用度和适应性。此外许在磨擦环境中使用的部件硬质薄膜材料可以广泛应用于机械制汽车纺织地质钻探模具航空航天等领域。抗氧化性[1]。N是第一个产化并广泛应用的硬质薄膜材料，后又开发Ti和N，其TiN20GPa28GPaTiC设计TiC-TiCN-TiN层复合膜，此外，还有TiC-TiCN-Al2O3-TiN，TiAlN-MoS2，TiAlN-WC/CTiAlNTi,它也具有28GPaAlAl2O3,因此TiAlN800eTiN500e之后TiAlN以(CrN)(约但是它有很强的耐磨损性能而它的抗氧化和附能力也不错常将它用作制备(HfN)，2 3 HfN硬质薄膜材料高温硬度高适用于高速切削刀具耐磨性比N高倍甚至超AlO(MoN)2 3 少磨损适合加工T合金N合金耐热合金等。三元化合物BCB1C2.88S0.35和S3N2C216采用PVD63~65GPa。过渡金属的氮化物、碳化DLC的研究取得了令人瞩目的进步。像含氢DLCDLC有较大区别。超高真空中含氢DLC度，大内力。不含氢的C在真空中的摩擦系数为，磨损很。加其摩0.6降到0.07DLCDLC，DLC[2]DLC具、发机、机和机的片等。质硬，)、、达、减膜、膜、显、学、人(膜等)都用。升,110，它是硬的材料]。，碳化硼还具有高、低度、高性、系的具、具、、、研、等)]用其低度和高性，碳化硼质材料]；利密特正陶瓷喷[6]偶以及转换；利B10吸收子屏蔽材料等[78]。尽管,以下几缺:①断裂韧(KIC约2过高的结温度(约化能力在空中0开化,900℃迅氧)；④对差,除AgCuZn,几乎与所块,,复论与技术断展提供新契技术日益受视。始致同时族素使分观形貌发生改变抗提例，Ti-B-C、Al-B-C、Ni-B-C、Ti-B-CB-C基薄膜材料的性质BBBC最早认,B-C二共存13种同分,即B16C、BBBC3B13

1

1

3

6C

7C

8C

1

2

1

1、B2

3C

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

3Rm,),c=12.12Å,

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 以才开始BC轻微侵侵,,如HNOHSOHClO;BOHBOHBO,侵[11]p,1出能参43 2 4 4 2 3 3 3 1能参数能 参数熔2723K密度4理论密2.52g·-3，着减小，范围2.52～2.465g·-3(410.4C)维氏硬维氏硬4824·-2(2090℃)努普硬2900·-2弹模360460GPa,240GPa,234GPa泊松比 0.10.18剪切模158188GPa率 35·-1·-1(2580℃。42W·-1·-1(室)。压4率还与孔粒关,孔0.08,率17W·m-1·K-1膨胀系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)电率 10Ω-·-1,10310Ω-·-1(133,300K1500K)电阻率 2×0-Ω·,1-Ω·m能带 0.71V:C=2450)介电5系200300V·-1(1250K)0.5×10-3K-1(10at%,1273K)品质因子0.85×10-3K-1(13.3at1273K)155MPa(98℃)162MPa(142℃),400MPa,25300MPa,拉伸强度300MP抗弯强510520MPa,2418MPa断裂强2.93.7MPa·1/2碳化硼涂层的制备方法-液,不,能。(PVD)(CVD),D(40),BCDBC,但[13,14]PVD,Dμ～0μ,危险性B2H6BCl3等。包括蒸镀、溅射、离子镀等,是在真空室中以加热荷能粒子轰击镀料表面等,使镀料以原子离子形式在底上形成表面涂层碳硼涂层PVD(diode)(PLD)真空等[3,17]。中。磁控溅射离子镀涂层,表面,包括、、表面(用涂层粘接能力涂层性能紧密关一步表面,送入真空室后,用Ar+离子表面轰击一般真空室本底真空～10-4PaAr作溅射压～10-1Pa降碳硼涂层中含氧,涂层用Ar等离子碳硼靶件,涂层中氧含等离子时间直接关了改善提时B4C升近年来,一种被称作调谐频(SubstrateTunedRadioFrequencyMagnetronSputtering)技术运用碳硼涂层成百厚碳硼,均匀BC比4,内应力显很体结性好实际应用景。(PulsedLaserDeposition,PLD)称融(LaserAblation)束入射固体靶,产生原子子,这些能原子子在真空中扩散并体目PLD碳硼涂层并,涂层C/B比结状都与激光通密关。(CVD)是在下,使混体体表面互作导致混合体中某些成解,在体上形成固涂层用碳硼涂层常(c-CVD、等离子(PECVD、热(HotFilament,HFCVD)、同步加热辐照SRCVD)等常规CVD在压下同量碳硼PECVD在远发生热-反应压力下碳硼,等离子表面PECVDHFCVD在灯丝(通常达0～0)驱体热裂解,体灯丝辐照加热,表面一般50,碳硼在真空中完成以避免氧染同中,因、、体成,能涂层性能。以成均匀致密碳硼涂层目CVD碳硼涂层研中在、涂层性能等面,,热力、质[11]。法等离子涂是B4C粒(粒)等离子中,分熔化、部分过热(取决于微粒大小)的粒子轰击基体、展平并形成涂层。等离子法制备碳化硼涂层有两个制约因素:①碳化硼的高熔点、高比热、很难熔化难以制得致密的涂层;②碳化硼在高温下会发生氧化,通常不能在大气中喷涂。目前国际上成功制得的碳化硼涂层是采用高压喷涂,即在高压舱内注入惰性气体,其压力约为200kPa,这样不仅避免了碳化硼的氧化,还使等离子体射流能量密度增加改善粉末颗粒的熔化。,,等离子喷涂法可实现～厚的B4涂层。但直接喷涂在基体上的涂层厚度受到限,解,,,,,B4C[18],B4C/Cu1mm,,的,、喷。,5%),热率基体的度较[19]。比气体法、法、等离子离子[20]等B-CB-C基金属复合薄膜的制备方法Ti-B-CB-C2[21]TiCTiB6040的22为Ti、B%、C26.8率在%。C涂层A+射TCB陶和度为)制备成。接射TCB2接直流方率分为z、。前真空内压力为3×1P在的过程22 中增加。通过改射功率的比制备素量不的C涂层R为加在和TiCTiB功率的比其的化为0～3.加在TiB上功125W～250W,0～375W的功率和制备的素成2 2涂层的成和素成成件 素成CR0—CR0—250312445R0.250250361747R0.5125250401743R1250250491239R2250125611425R3375125711217

(W) C% B% Ti% 化学量TiB0.53C0.70TiB0.36C0.78TiB0.39C0.90TiB0.31C1.27TiB0.59C2.48TiB0.75C4.35B-C基金属复合薄膜的机械性能1锈钢基体上XRD图1XRD35TiB2(100)2合物C曲线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列了包括他们硬、弹模、系磨损率都很低，到%91×0m当(30%～45%)时系数磨损率0.72.0×10-5mm3/Nm50%71%3aR0R0.2、R0.5091、2R3则明显较从0.30.13b则显示了着不同痕深度的能3划痕深度x y x 研究发现制备XRDXPS都显示说明沉积C而且不同C几乎没有影响同x y x 形成改善了机械性能[24]。束语发,硼材料本不因,发越性能了,使硼材料具有应用前景。过程中入金属形成C也改善机械性能这样应用在具能改善具具使制备、性能Me-B-C高与之间力应力研究重点。参考文献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.丁硕,温广武,雷廷权.碳化硼研究进[J].科学与工艺,2003,11(1):1012105.孙志杰,研究现状与趋势J宇航工艺,2000,(5):10214.丁 硕,温广,雷廷.碳化硼研究进[J].科学与工艺,2003,11(1):1012105.GebhardtO,GavilletD.SIMSimaginganalysesofin-reactorirradiatedboroncarbidecontrolrodsamples[J].JournalofNuclearMaterials,2000,279:3682371.GwailySE,BadawyMM,HassanHH,etal.Naturalrubbercompositesasthermalneutronradiationshields[J].PolymerTesting,2002,21:1292133.综述J].导报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