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《湖南大学》 2005年
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无机表面薄膜力学及耐蚀性能研究

黄桂芳  
【摘要】:表面薄膜赋予材料表面耐磨、耐蚀、耐热、耐疲劳以及特殊的光、热、电和磁等多种功能,在现代高新技术中受到了越来越多的重视,成为材料科学中最活跃的研究领域之一。薄膜材料和薄膜技术为机械、能源和交通等部门,以及现代军事提供了具有优异性能的新材料和器件,极大地促进了光电子技术、计算机技术、航空航天技术等现代高新技术的发展,在高新技术产业中具有举足轻重的作用。本文研究了三种无机薄膜的制备工艺及其力学和耐蚀性能,获得了一些有意义的结果。 采用磁控溅射方法在硅和玻璃基体上沉积了BaTiO3(BTO)薄膜,通过原位测试不同厚度BTO薄膜的应力、介电常数和铁电性能随温度的变化规律,系统研究了薄膜的铁电性能与厚度和应力的关系,并用两种方法确定BTO薄膜的双轴杨氏模量和热膨胀系数。实验结果表明,BTO薄膜中的应力为张应力。膜中张应力随薄膜厚度的减小而增大,导致居里温度下降,剩余极化减小,矫顽场增大。特别是当厚度较小(35~250nm)时,这种变化更加明显。张应力对薄膜居里温度的影响主要位于300-450Mpa应力区间,在该区间内,应力增大导致薄膜居里温度线性下降(0.16℃/Mpa)。根据温度升高过程中BTO薄膜应力曲线的斜率变化、介电常数峰值、电滞回线收缩等确定的居里温度一致。由于薄膜中张应力的存在,BTO薄膜相变温度比体材料的相变温度低。电滞回线表明铁电-顺电相变开始于BTO薄膜的居里温度,并持续到接近BTO体材料的居里温度。说明BTO薄膜中存在多种畴。BTO薄膜的铁电性能主要由膜内畴决定,而表面畴的影响相对很小。另外,根据升温过程中铁电-顺电相变时晶胞体积和应变的变化,以及不同基体上BTO薄膜应力随温度变化率的计算结果表明,BTO薄膜双轴杨氏模量比体材料的稍大,而热膨胀系数比体材料的偏小。 薄膜应力的存在和变化对薄膜与基体的粘结强度有很大影响。为了制备高质量的类金刚石(DLC)薄膜,并改善DLC薄膜和基体之间的粘接强度,采用双离子束轰击混合(DIBM)技术+离子束沉积(IBD)技术在钢基体上沉积DLC膜,研究了DLC膜的力学性能和耐蚀性能。实验结果表明,利用DIBM + IBD沉积技术可以明显提高DLC膜和钢基的复合硬度,而且还使硬度峰值向低能方向偏移; 同时显著地提高了DLC膜/基的粘结强度(当DIBM技术中所用中能Ar+束能量为30 keV时,其沉积的DLC膜临界载荷Pc为IBD工艺沉积膜Pc的2倍以上)。钢表面类金刚石膜改性后,不仅具有减摩作用,而且表现出良好的耐磨性。失重试验结
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2005
【分类号】:TB383.2

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