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细长不锈钢管内表面沉积的类金刚石碳膜性能研究

汪俊  
【摘要】: 类金刚石膜(DLC)具有与金刚石膜相似的许多优异性能,例如高硬度、高耐磨性、低摩擦系数、抗化学腐蚀性等等,因此在金属管内表面沉积类金刚石薄膜有着重要的工业应用前景。如何在大长径比的细长金属管内形成均匀、高密度的等离子体并实现金属管内表面改性是目前的一个技术难题。我们实验室针对内径小于10mm的金属管开发一种利用直流辉光等离子体的金属管内表面改性技术。本研究的目的是利用这一技术研究在内径10mm的304不锈钢管内表面沉积DLC薄膜的工艺和薄膜性能,讨论了以甲烷为气源,氩气为稀释气体,在长100mm内径10mm的304不锈钢管内表面制备类金刚石薄膜。研究了工作气压、沉积时间和通入气体配比对薄膜结构和性能的影响。对所制备的DLC薄膜采用了拉曼光谱(Raman)、傅立叶红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)手段对样品的结构和形貌进行表征;利用显微硬度测试机和摩擦磨损试验机对DLC薄膜的机械和摩擦学特性进行了研究;利用电化学测试对DLC薄膜的抗化学腐蚀性能进行了研究。主要研究结果如下: 以CH_4为气源,Ar为稀释气体,用直流辉光等离子体化学气相沉积(PECVD)法,在本研究的实验设备和工艺下能够在304不锈钢基底表面上生长一层较均匀的1.5μm厚度左右类金刚石薄膜,但薄膜膜质比较柔软,薄膜与基底的结合较疏松,表面出现了岛状颗粒形貌;膜中碳的sp~3/sp~2比值随着沉积时间的增加而增加;随着气体流量的增大,先增大后减小;随着CH_4比例的增大而减小;在沉积时间为30min,气体流量26SCCM,CH_4比例为20%时,薄膜硬度能达到10GPa;沉积时间越长,抗腐蚀性越好,气体流量过低和CH_4比例过高的都会影响DLC薄膜对304不锈钢管内表面的抗化学腐蚀性能的改善,当气体流量42SCCM,CH_4比例为20%时,DLC薄膜能够较大幅度地改善304不锈钢管内表面的抗化学腐蚀性能。


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