以cr为中间层的类石墨梯度层微观结构分析课程设计论文

课程设计（论文）题目：以cr为中间层的类石墨梯度层微观结构分析

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：日期：

学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期：年月日导师签名：日期：年月日

注意事项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神□优□良□中□及格□不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度□优□良□中□及格□不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力□优□良□中□及格□不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性□优□良□中□及格□不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况□优□良□中□及格□不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？□优□良□中□及格□不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？□优□良□中□及格□不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格建议成绩：□优□良□中□及格□不及格（在所选等级前的□内画“√”）指导教师：（签名）单位：（盖章）年月日

评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？□优□良□中□及格□不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？□优□良□中□及格□不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格建议成绩：□优□良□中□及格□不及格（在所选等级前的□内画“√”）评阅教师：（签名）单位：（盖章）年月日2009级材料物理化学系材料分析测试课设论文PAGEPAGE16教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况□优□良□中□及格□不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况□优□良□中□及格□不及格3、学生答辩过程中的精神状态□优□良□中□及格□不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？□优□良□中□及格□不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？□优□良□中□及格□不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格评定成绩：□优□良□中□及格□不及格教研室主任（或答辩小组组长）：（签名）年月日教学系意见：系主任：（签名）年月日

材料分析测试课程设计任务书材料物理与化学系材料物理材物092第2组课程设计题目：以cr为中间层的类石墨梯度层微观结构分析课程设计内容要求：用闭合场非平横磁控溅射方法制备类石墨中间层,并且运用xps和各种电镜分析手段分析检测该薄膜的成分、微观组织形貌、掺杂cr对其理化性质的影响。得出结论，并完成一篇课程设计论文。

学生（签名）2013年1月4材料分析测试方法课程设计评语

教师签字：年月日目录第一章前言 -2-1.1类石墨镀层（GLC）简介 -2-1.2类石墨镀层制备技术 -2-1.3非平衡磁控溅射技术简介 -3-第二章实验分析方法及实验仪器 -4-2.1实验分析 -4-2.2实验仪器及简介 -4-第三章实验结果分析 -6-3.1XPS分析 -6-3.2电镜分析 -8-3.2.1TEM分析 -8-3.2.2SEM分析 -10-3.3原子力显微分析（AFM） -12-第四章结论 -14-前言为适应精密制造的切削加工要求,期望刀具镀层具有小的摩擦系数,低磨损率,自润滑和高温环境下的组织稳定性.被深入研究的金刚石和类金刚石镀层是以sp3碳键结构为主，表现出非常好的摩擦学性能，已应用在刀具模具表面作为减模抗模镀层，但这两种镀层都有很高的内应力，降低了镀层与基体结构强度，导致镀层容易从基体上剥落，影响其使用寿命，此外与黑色金属之间的能媒效应，引起镀层的金刚石结构向石墨结构转化而早期失效，而且硬度高，脆性大，承载能力差，使其工业应用受到了限制。1996年，提出了高硬度sp2碳结构的存在，很快有人发现，主要有sp2结构的碳镀层硬度可接近金刚石的硬度。而具有石墨的导电性能，被称之为类石墨镀层。若在glc中引入少量的ti或cr等元素，不但可保持其高硬度，低摩擦系数，低磨损率，较好地韧性极高承载能力。在空气或水中表现出更出色的摩擦性能。且随载荷的增加，摩擦系数还相应降低，金属铬在镀层中还具有增强韧性和抗氧化性能，明显改善镀层的综合性能。且此掺铬类石墨镀层被认为是一种此类金刚石镀层应用前途更广阔的理想减摩抗摩镀层。1.1类石墨镀层简介类石墨(Graphite-LikeCarbon,GLC)镀层是以sp结构为主的高硬度碳镀层,硬度可达到20~40GPa。GLC镀层具有良好的导电性能、适中的硬度、高承载能力、很低的摩擦系数和磨损率,而且与黑色金属接触时不存在触媒效应,可应用于电子、机械、医疗器械等行业,因而引起了材料研究者的关注。制备GLC镀层的方法有磁控溅射法和离子束辅助磁控溅射法。目前对GLC镀层的研究还不够深,不同的工艺沉积的镀层性能有较大差异。1.2类石墨镀层制备技术.采用离子束辅助磁控溅射技术，闭合场非平衡磁控溅射技术都可以制备具有适中硬度，优良摩擦性能的类石墨膜。然而，采用离子束辅助磁控溅射技术制备的类石墨镀层在一定程度上可以通过改变膜层的组织来获得良好的性能，但却不能实现复合成分和梯度结构设计，难以获得具有优异结合性能的镀层。在本文中，采用非平衡磁控溅射离子镀技术制备的类石墨镀层，具有成分梯度变化的复合多层结构，其中最外层工作层是含有微量的铬元素。此种镀层结构设计，很大程度改善了镀层结合性能，且根据文献资料可知，含铬的类石墨镀层具有更好的耐磨减摩性能。因此对于刀具模具及一些机械零部件来说，该镀层具有更好的研究价值和应用前景。利用非平衡磁控溅射离子镀设备能够在待镀工件上沉积纳米厚度的镀层特别是适用于精密要求更严格的航空航天及精密仪器制造等行业的零部件改性。1.3非平衡磁控溅射技术磁控溅射离子镀是把磁控溅射技术和离子镀技术结合起来，在基体加有负偏压的磁控溅射镀膜技术。结合了磁控溅射成膜速率高，大平面源，镀层厚度均匀等优点和离子镀过程散射性好，镀层附着力强，可镀材料广泛等优点，形成了一种新的镀膜技术，在一个装置中实现氩离子对磁控靶的大面积稳定的溅射，与此同时在工件负偏压的作用下，高能的靶材元素原子或离子在工件上发生轰击，溅射，注入及沉积过程。磁控溅射离子镀可以在膜基界面形成界面混合层，因此可以使得镀层与基体结合良好；能使膜材与机体形成金属间化合物或固溶体，实现表面合金化。它集合了磁控溅射技术和离子镀过程的优点，形成了一种新的镀膜技术。磁控溅射离子镀的原理如图所示。镀膜室抽至高真空后，冲入氩气，控制真空度在10-110-2pa.当基片上加400—1000v的负偏压时，在靶材和基片之间便产生辉光放电。离化的氩离子被电场加速并轰击在基片表面，从而实现表面清洗，完成基片表面清洗后，氩离子轰击靶材表面，使靶材原子从靶材表面溅射下来，向基片迁移。溅射原子进入等离子区与离化的惰性气体及电子发生撞，产生离化，离化的离子受到电场的加速，达到基片上最终形成膜，镀膜的前一半过程与磁控溅射相同，后一半过程与粒子镀相同。溅射离子镀在基片上施加负偏压后，在某些情况下，基片的负偏压电场会影响平面磁控靶的正常放电。当基片的负偏压过高或基片与被控靶的距离过近时，磁控靶的放电不稳定，甚至辉光熄灭，这时应采取相应的措施，保证磁控靶稳定工作。而闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备的独特之处在于该设备至少包含有两个磁控管，这样将某一磁极的磁场对于另一极性相反的磁场增强或减弱，导致磁场分布的非平衡。在保证靶面水平磁场分量有效的约束二次电子运动，可以维持稳定的磁控溅射放电的同时，另一部分电子沿着强磁级产生的垂直靶面的纵向磁场，进一步提高了镀膜空间的等离子体密度；有利于提高沉积速率。闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术特点是：镀膜过程中有负偏压参与，从而形成离子镀，使得膜基片结合力提高。离子电流密度比传统的磁控溅射提高十几倍，极大地提高了成膜效率；同时较大的粒子流密度和能量，可以改善镀层的结构和物理性能。工艺操作简单，溅射成膜便于实现镀层成分和结构的控制。实验分析方法和实验仪器2.1镀层组织结构的观察与分析a.镀层的X射线能谱（XPS）观察xps是一种基于光电效应的电子能谱，他是利用x射线光子激发出物质表面原子的内层电子，通过对这些电子进行能量分析而获得表面成分信息的一种光谱。可以用来分析镀层表面成分。b．镀层的扫描电子显微镜(SEM)观察扫描电子显微镜的成像原理是利用细聚焦的电子束在样品表面扫描时激发出的各种物理信号调制成像，新型扫描电子显微镜的二次电子像的分辨率已达到3-4nm，放大倍数可从数位原倍放大到20万倍左右，由于扫描电子显微镜的景深远比光学显微镜大，可以用它进行表面的微观结构分析。c.镀层的透射电子显微镜(TEM)观察薄膜材料的厚度仅为微米量级或者更薄，对其微观结构的研究十分困难，透射电子显微分析是薄膜材料微结构研究最重要的手段之一。由于薄膜依附于基体生长且通常具有择优取向和柱状晶生长等微观特性应而采用截面样品从薄膜生长的横断面进行观察和研究，可以得到更多的材料微观结构信息。但是薄膜的TEM截面样品制备过程较为繁琐，难以掌握。本文以2024铝合金基体上沉积的类石墨镀层为例介绍薄膜截面样品的制备方法和步骤。（1）取样采用电火花线切割从镀膜试样上截取2×1×1.5mm的小长方块，保证每个小块样品相邻各个面都相互垂直，每个面都平整。然后在丙酮和无水乙醇中进行超声波清洗处理，烘干备用。（2）对粘和磨制挑选两块清洗好的小样品，使用环氧树脂把膜面与膜面对粘，保证膜相对的两个平面水平，用夹具固定，然后在70~80℃的温度下加热30min使环氧树脂固化。取下试样，用热熔胶固定在磨样台上，在砂纸上打磨与膜层垂直的面。（3）磨制与粘环先用较粗水砂纸，后用粒度为30µm~10µm的金相砂纸沿一个方向手工打磨，打磨过程中要随时观察其表面状态。之后在光学显微镜下用环氧树脂在磨制好的面上粘专用铜环（外径Φ3mm，内径为Φ0.5mm，厚度为0.02mm），必须保证镀层在铜环中心；这样提高了样品的强度和刚度，以免继续打磨时对粘的两样品分离。粘铜环后将其翻转，用热熔胶粘在磨样台上继续打磨，至胶被磨平、铜环裸露出时停止打磨。此时样品厚度约为50~60μm。（4）钉薄与离子减薄取下带有铜环的样品，用热熔胶将其粘在Fischione200型凹坑研磨仪的样品台中心，对样品进行钉薄，在样品厚度剩余20μm左右时将其取下。然后用Fischione1010型离子减薄仪对样品进行离子减薄。利用聚焦离子束对低速旋转的样品进行双面离子轰击，先采用与试样平面约为10°倾角的离子束进行轰击，待观察到样品中央穿孔后，再将离子束倾角减小为4°进行清扫，以扩大穿孔附近的薄区范围。d.镀层的AFM观察原子力显微镜（AFM）的原理是利用针尖与样品表面原子间的微弱作用力来作为反馈信号，维持针尖——样品间作用力恒定，同时针尖在样品表面扫描，从而得知样品表面的高低起伏。因而可以采用原子力显微镜观察镀层的表面形貌。第三章．实验结果及分析3.1XPS分析图1所示是样品的全谱图，从图中可以看出，镀层中除了溅射沉积的靶材C、Cr外，还含有少量的Ar原子与氧原子图2,3,4,5分别为Cr2p，O1s，C1s，Ar2p结合能窄谱及拟合曲线。图1样品XPS图谱全谱如图2所示，通过XPS分析，金属Cr在镀层中主要以单质，氧化物或碳化物的状态存在，其中Cr的氧化物是单质Cr与沉积室内残存的氧分子结合或再在空气中被氧化的结果。Cr还在沉积的过程中与C结合生成了CrC。其中,铬单质的含量为52.1%铬的氧化物的含量为31.8%铬的碳化物的含量为16.1%。图2Cr2p-XPS结合能及拟合曲线如图3所示，通过XPS分析，样品中的氧主要以氧化铬和碳的氧化物形式存在。含量分别为66.0%和34.0%。O-CrO-Cr图3O1s结合能及拟合曲线如图4所示，通过XPS分析，碳元素在样品中大量以碳单质的形式存在，其中，有83.8%为Sp2结构，11.3%为Sp3结构，4.7%为氧化物的形式存在。图4C1s结合能及拟合曲线图5Ar2p结合能及拟合曲线3.2电镜分析本实验中用到的电镜主要包括透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）两种。通过TEM分析发现样品镀层的电子衍射花样为弥散衍射环状，说明选区镀层为非晶态为主同时夹杂了多晶体的混合物。应为表层石墨层的衍射花样。表层衍射花样和表面形貌如图6所示。图6TEM电子衍射花样及选区表面形貌图7所示的电子衍射花样衍射斑点