收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

超光滑金刚石复合薄膜的制备、摩擦学性能及应用研究

沈彬  
【摘要】: 化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition, CVD)金刚石薄膜具有硬度高、摩擦系数低、耐磨性强以及表面化学性能稳定等优异的机械及摩擦学性能,这使其在硬质合金工模具领域具有广阔的应用前景。CVD金刚石薄膜作为耐磨减摩涂层沉积在传统硬质合金刀具和拉拔模具的工作表面,能够大幅延长传统工模具的使用寿命,提高生产效率,显著改善加工质量,不仅获得了显著的经济效益,促进了相关行业关键技术的突破和加工水平的提升,而且对于有效节约铜、铝等原材料,节能降耗,减少钨、钴等战略资源的消耗,促进经济的可持续发展也具有重大意义。本文致力于解决CVD金刚石薄膜在硬质合金工模具领域产业化应用的三个关键问题,即在硬质合金基体表面沉积附着强度高、表面光滑性好的CVD金刚石薄膜的制备技术、CVD金刚石薄膜摩擦学性能和微观摩擦学机理的研究以及复杂形状金刚石薄膜涂层刀具和大孔径金刚石薄膜涂层拉拔模具的开发与应用,主要完成的研究工作可以概括为以下几点: 1.超光滑金刚石复合薄膜(Ultra-smooth Composite Diamond film, USCD)制备技术。将酸碱两步法预处理工艺与微波等离子脱碳还原技术结合起来,提出了新型复合预处理工艺,并进一步在薄膜沉积过程中辅以动态硼掺杂工艺,有效解决了CVD金刚石薄膜与硬质合金基体之间膜基结合强度不足的问题。在此基础上,基于热丝CVD法,提出了通过施加负偏压形成等离子轰击的方法提高薄膜表面光滑性的新工艺,并进一步结合表面抛光技术,开发了通过交替进行“微/纳米金刚石薄膜沉积”与“表面抛光”工艺沉积USCD薄膜的制备技术。USCD薄膜由微米金刚石薄膜与纳米金刚石薄膜复合而成,既具有良好的膜基附着强度,又具有晶粒度60?80 nm,表面粗糙度Ra/Rq ~ 8.854/11.3 nm(原子力显微镜)以及Ra/Rq ~ 88.8/118.1 nm(表面形貌仪)的超光滑表面。USCD薄膜制备技术不仅解决了膜基结合强度不足这一技术难题,而且突破了薄膜表面光滑性差、不易研磨抛光这一技术瓶颈,为CVD金刚石薄膜在硬质合金工模具领域的产业化应用奠定了坚实的基础。 2.基于硬质合金基体的CVD金刚石薄膜的摩擦学性能研究。采用标准摩擦学实验方法对比研究了基于硬质合金基体的三种具有不同表面形貌的CVD金刚石薄膜,即微米金刚石薄膜(Micro-crystalline Diamond film, MCD)、细晶粒金刚石薄膜(Fine-grained Diamond films, FGD)以及超光滑金刚石复合薄膜(USCD),与铜、轴承钢配副材料组成的摩擦副在干摩擦和水润滑条件下的摩擦学性能。实验结果显示,CVD金刚石薄膜的表面形貌对其摩擦学性能的影响很大,尖锐的金刚石晶粒凸峰会导致配副表面上出现强烈的犁削效应,并引起配副表面的严重磨损。磨损产生的磨屑在摩擦过程中会粘附在CVD金刚石薄膜的表面,形成转移膜,从而增加了接触表面之间的粘着力,导致了摩擦系数的上升。水润滑条件下,接触表面上形成的边界润滑膜以及转移膜的减少则导致了摩擦系数的显著下降。相比MCD薄膜与FGD薄膜,USCD薄膜表现出了更优异的摩擦学性能,其与轴承钢以及铜在干摩擦条件下对摩时的摩擦系数仅有0.13和0.17,在水润滑条件下对摩时则进一步降低至0.05和0.14。 3. CVD金刚石薄膜的微观摩擦学机理研究。采用分子动力学模拟方法研究了果C(0V显0D 1示)金晶,刚面金石在刚薄平石膜面薄最接膜常触的见以微的及观两单表个凸面晶体接面接触,触与即条摩金件擦刚下学石的行(微为1观与1 1表其)晶面原面接子和触级(和表0摩面0 1擦粗)晶学糙面行度,为、与。晶单模格晶拟取铜向结、表层原子结构、表面氢化、法向载荷以及摩擦速度等因素密切相关。金刚石薄膜表层原子结构沿不同晶向的分布差异导致了其微观接触及摩擦学行为的各项异性,而薄膜的表面氢化则能够在一定程度上消除这种各项异性。随着载荷的上升,接触界面上出现的原子级磨损以及配副铜晶格内部的位错、形变等晶格变形会导致摩擦力的显著增加。金刚石薄膜的原子级表面粗糙度导致了连续介质理论在解释其微观表面接触与摩擦学行为时具有明显的尺寸效应,随着金刚石探针尺寸的增加,连续介质理论与模拟值逐渐趋于吻合。同时,连续介质理论的尺寸效应还与金刚石探针的表层原子结构、晶面取向以及法向载荷等因素密切相关。 4.复杂形状CVD金刚石复合薄膜涂层刀具的应用研究。在可转位槽形刀片和复杂形状整体式钻头表面沉积了硼掺杂CVD金刚石薄膜,并采用碳化硅颗粒增强铝基复合材料考察了涂层刀具的切削性能,获得了制备CVD金刚石复合薄膜涂层刀具的最优硼掺杂浓度值(B/C = 3000 ppm)。进一步开发了具有螺旋形热丝排布的专用沉积装置,适用于在复杂形状整体式刀具表面沉积附着强度高,表面光滑性好的CVD金刚石复合薄膜。分别在可转位槽形刀片和复杂形状印刷电路板(Printed Circuit Board, PCB)铣刀表面沉积了CVD金刚石复合薄膜,并采用玻璃纤维增强复合材料作为工件材料对涂层刀具的使用寿命和切削性能进行了考察。实验结果显示,CVD金刚石复合薄膜涂层可转位槽形刀片的使用寿命比硬质合金刀片提高了8倍,加工表面完整性也得到显著提高。CVD金刚石复合薄膜涂层PCB铣刀圆周切削刃和端面切削刃的后刀面磨损量仅为硬质合金PCB铣刀的1/5~1/4,并且其在铣削过程中的受力比硬质合金铣刀低很多,表现出良好的使用寿命和加工性能。 5.超光滑金刚石复合薄膜涂层拉拔模具的应用研究。针对各类硬质合金焊接套、拉拔套以及铜管、低碳钢管拉拔模具,尤其是大孔径拉拔模具,开发了具有绞线型和鼠笼式热丝排布方式的新型热丝CVD沉积装置,并在其内孔表面沉积了即具有良好的膜基附着强度,又具有超光滑表面的USCD薄膜。制备获得的USCD薄膜涂层拉拔模具的入口锥、工作锥以及定径带位置的表面粗糙度Ra值可达25.7 nm,23.3 nm以及25.5 nm。在拉制同轴电缆外导体和铝塑复合管的生产过程中,USCD薄膜涂层焊接套的使用寿命比尼龙焊接套提高至少100倍以上,比硬质合金焊接套提高10倍左右;在拉制铜管的生产过程中,USCD薄膜涂层模具在空拔加工、固定芯头拉拔以及游动芯头拉拔过程中的拉拔产量分别比硬质合金模具提高了30倍,7倍以及10倍以上;在拉制低碳钢管的生产过程中,USCD薄膜涂层模具的拉拔产量比硬质合金模具提高了10倍以上。采用USCD薄膜涂层拉拔模具不仅能够大幅提高传统硬质合金拉拔模具的使用寿命,显著生产效率提高,有效节约钨、钴等战略资源的消耗,并且拉制的管材产品表面光洁度好,管径稳定,有效节约了铜、铝等原材料。此外,在采用USCD薄膜涂层拉拔模具拉制铝管外导体及低碳钢管的加工过程中,能够以水润滑系统代替油润滑或胶润滑系统,这对有效减少环境污染,实现绿色加工过程有积极的推动作用。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 朱春山;宋佳;和萌林;;淀粉微晶/聚乙烯醇复合薄膜的制备与性能[J];广州化工;2010年08期
2 鲁建东;贾渊;;复合塑料薄膜透湿方程的研究[J];中国印刷与包装研究;2010年S1期
3 胡嘉鹏;耐高压杀菌的复合薄膜袋装食品的生产和标准化[J];食品与发酵工业;1978年05期
4 陈式康;新型包装薄膜及其性能介绍[J];塑料工业;1986年05期
5 金子大助;相岛孝范;内海诚;杨声卿;;SZ薄膜,交叉复合薄膜[J];国外塑料;1986年03期
6 温伟祥,胡社军,曾鹏,吴起白,谢光荣,黄拿灿,胡显奇,盛钢,盛忠;RF/DC溅射316L/SiO_2复合膜力学性能与显微结构的研究[J];真空;2001年02期
7 储艳秋,黄峰,秦启宗;脉冲激光沉积非晶态Ni-V_2O_5复合薄膜及其电化学性能研究[J];化学物理学报;2002年03期
8 刘红日,刘国营,罗时军;铁电-磁性复合薄膜的溶胶-凝胶法制备[J];湖北汽车工业学院学报;2005年02期
9 项尚林;项小东;;N-甲基吡咯烷酮对复合薄膜用水性聚氨酯性能的影响[J];包装工程;2007年01期
10 谢谦;;多铁性复合薄膜的结构及2-2型双层复合磁电薄膜的制备方法[J];材料开发与应用;2010年02期
11 谭麟;赵建青;曾钫;刘述梅;程晓乐;;低介电常数聚酰亚胺/多金属氧酸盐复合薄膜的制备及其性能[J];高校化学工程学报;2010年02期
12 樊义峰;;塑料复合膜用聚氨酯油墨连接料[J];化学推进剂与高分子材料;1999年02期
13 ;新技术与成果[J];中国金属通报;2000年20期
14 袁秀梅,宋风华,王昭德,宋建华;耐高温复合薄膜用聚氨酯胶粘剂的研究[J];中国胶粘剂;2001年01期
15 崔涛;朱小树;;耐蒸煮食品包装复合袋专用聚氨酯胶粘剂[J];化学推进剂与高分子材料;2001年05期
16 王常丽;;耐热型聚氨酯胶粘剂研究[J];济南纺织化纤科技;2002年02期
17 修玉英,李雯静,罗强;水性聚氨酯胶粘剂在复合薄膜制造上的应用[J];中国胶粘剂;2004年03期
18 蒋新;吴艳香;陈喜明;;掺杂钒和硅对TiO_2薄膜超亲水性的影响[J];无机化学学报;2006年09期
19 龚朝阳;罗学涛;张颖;程璇;张莹;;复合薄膜研究的进展[J];真空;2006年05期
20 钱曙;;浅析我国自主创新的新型高阻隔材料——聚乙烯醇(PVA)复合薄膜[J];包装世界;2006年06期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 张俊英;;PAN/ZnO复合薄膜的光致发光性能的研究[A];2004年中国材料研讨会论文摘要集[C];2004年
2 宁廷银;陈聪;张东香;王灿;周岳亮;陈正豪;杨国桢;;Au/CaCu_3Ti_4O_(12)复合薄膜的三阶非线性光学性质研究[A];第八届全国光学前沿问题讨论会论文集[C];2009年
3 许素云;庞山;程轲;杜祖亮;;CIS/TiO_2复合薄膜的制备及其光电性质[A];中国化学会第28届学术年会第4分会场摘要集[C];2012年
4 徐雪青;沈辉;胡芸菲;;WO_3-SiO_2复合薄膜结构和气致变色性能研究[A];第一届全国纳米技术与应用学术会议论文集[C];2000年
5 柯满竹;陈文;王俊峰;石兢;;聚合物修饰V_2O_5纳米复合薄膜的性能研究[A];第五届中国功能材料及其应用学术会议论文集Ⅱ[C];2004年
6 许华娟;宋根萍;郭荣;;仿生超疏水聚苯胺/聚苯乙烯复合薄膜的制备及性能[A];中国化学会第28届学术年会第12分会场摘要集[C];2012年
7 蒋建清;;Ti-Al-C-N高硬度复合薄膜的研究[A];2010年海峡两岸功能性复合材料论坛论文集[C];2010年
8 冯砚艳;辜敏;;Cu/SiO_2复合薄膜的电化学-溶胶凝胶制备及其非线性光学性能[A];中国化学会第28届学术年会第10分会场摘要集[C];2012年
9 陈晓东;阮家声;付桂华;蔡彦;陈兰荪;;复合薄膜用聚氨酯胶粘剂的研制[A];中国聚氨酯工业协会第十次年会论文集[C];2000年
10 吴艳香;蒋新;陈喜明;;SiO_2-V_2O_5-TiO_2复合薄膜光诱导超亲水性的研究[A];第三届全国化学工程与生物化工年会论文摘要集(下)[C];2006年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 谭麟;甚低介电常数聚酰亚胺/多金属氧酸盐复合薄膜的制备及性能[D];华南理工大学;2010年
2 张以忱;中频非平衡磁控溅射制备硬质复合薄膜的研究[D];东北大学;2008年
3 张伟;杂多金属化合物基可见光光致变色复合薄膜的制备与性能研究[D];吉林大学;2013年
4 王春涛;二氧化钛复合薄膜构筑及光电化学性能[D];浙江工业大学;2012年
5 陈经纬;有机π电子共轭化合物复合薄膜的三阶非线性光学性能研究[D];山东大学;2012年
6 孙小飞;SiO_2基复合薄膜的制备与光学性能[D];长春理工大学;2009年
7 周晓明;Ⅱ-Ⅵ族半导体/二氧化锡纳米结构复合薄膜的制备及其应用性能研究[D];吉林大学;2013年
8 李晓敏;FeCuNbSiB/SiR复合薄膜在压应力下的力敏特性研究[D];南昌大学;2013年
9 卿胜兰;Cd_x/CdS-SiO_2复合薄膜的电化学-溶胶凝胶法制备及其非线性光学性能研究[D];重庆大学;2013年
10 陶俊;金属纳米颗粒及其聚合物复合薄膜的光学特性研究[D];中国科学技术大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 谢主伟;纳米SiO_2/TiO_2亲水复合薄膜的制备及性能研究[D];华南理工大学;2010年
2 张慧;Mg-Ni复合薄膜的制备及性能研究[D];浙江大学;2011年
3 李静;纳米二氧化钛复合薄膜的制备及性能研究[D];济南大学;2010年
4 丁美凤;MgO过渡层诱导Ba/Sr铁氧体薄膜的制备及磁性能研究[D];电子科技大学;2011年
5 李钱陶;Sol-Gel法制备Ag-SiO_2纳米复合薄膜及其光学性能研究[D];武汉理工大学;2003年
6 柯满竹;聚合物修饰V_2O_5纳米复合薄膜的合成、结构及性能[D];武汉理工大学;2003年
7 童俊军;掺杂铁酸镍陶瓷和复合薄膜的制备以及性能研究[D];广东工业大学;2011年
8 郑锦霞;PEO-V_2O_5-MoO_3 纳米复合材料的合成、结构及性能研究[D];武汉理工大学;2002年
9 张珅珅;具有防雾、自清洁功能的TiO_2光催化薄膜性能研究[D];沈阳航空工业学院;2010年
10 王陶;热丝CVD法制备金刚石—碳化硅—硅化钴复合薄膜[D];大连理工大学;2010年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 李力;聚多巴胺基复合薄膜研究获得新进展[N];中国包装报;2010年
2 赵世亮;复合薄膜的曲率与材料的热收缩率差异[N];中国包装报;2011年
3 ;如何获得挺性好的复合薄膜[N];中国包装报;2002年
4 赵世亮;关于检测复合薄膜柔软度指标的探讨[N];中国包装报;2009年
5 杨林;新型陶瓷复合薄膜研制出[N];广东建设报;2009年
6 林其水;常用软包材的特性和应用[N];中国包装报;2007年
7 陈昌杰;聚乙烯醇在复合薄膜中的应用[N];中国包装报;2005年
8 单仁;复合薄膜基材的品种及性能[N];中国建材报;2006年
9 记者 郭新秋、刘文波;多层共挤复合薄膜在大连诞生[N];中国食品质量报;2002年
10 黄虹 龚晓燕;我国多层共挤复合薄膜工艺日趋成熟[N];中国包装报;2003年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978