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1、接触力学与低摩擦耦合的纳米金刚石力学行为研究上海电力学院本科毕业设计（论文） 题目：接触力学与低摩擦耦合的纳米 金刚石力学行为研究 院系： 能源与机械工程学院 专业年级： 机械设计制造及自动化 2017年6月12日目录目录摘 要Abstract第一章 绪论11.1 纳米金刚石薄膜的研究背景11.1.1 微米金刚石涂层的缺陷11.1.2 纳米金刚石涂层的优点及应用前景11.2 纳米金刚石的研究现状11.2.1 纳米金刚石的表征11.2.2 纳米金刚石薄膜的机械性能1第二章 CVD法制备金刚石薄膜的相关原理12.1 纳米金刚石膜制备方法12.2 HFCVD法制备纳米金刚石薄膜12.2.1 热丝碳化
2、工艺12.3.1 Si3N4陶瓷的性质12.3.2 陶瓷基纳米金刚石涂层的制备12.3.3 沉积技术1第三章 纳米金刚石膜的制备实验与表征13.1 实验设备简介13.2 热丝的选择13.3 实验方案与参数13.4 纳米金刚石薄膜的表征13.4.1 扫描电子显微镜1第四章 相关接触力学原理及压痕实验14.1 相关固体接触力学原理14.1.1 Hertz弹性接触理论14.2 纳米金刚石薄膜的残余应力14.2.1 残余应力产生的原因14.3压痕实验14.3.1 粗糙度测试14.3.2 压痕测试14.3.3 结果表征与分析14.3.4 结论1第五章 总结与讨论1参考文献1致谢1附录 外文翻译11接触力
3、学与低摩擦耦合的纳米金刚石力学行为研究摘 要纳米科学与技术是近些年来世界各国科研人员研究的热点，而在纳米科技领域中，纳米材料科学是复杂，但前景辽阔，所以是很值得研究的一个科学分支。纳米金刚石涂层膜可以提高工程基底材料的许多表面特性，包括耐侵蚀，耐腐蚀性和耐磨性。此外，切割的金刚石表面具有很低的摩擦系数，这使其成为许多对表面粗糙度要求高的场合的理想选择。而且，已经证明通过热丝化学气相沉积（HFCVD）技术获得的金刚石膜可以应用于很多特殊场合，使得它们成为关键的技术应用。与传统的高压高温（HPHT）钻石相比，这种技术也显着降低了人造金刚石的成本。与微米金刚石（MCD）涂层相比，纳米金刚石（NCD）
4、涂层具有较小的表面粗糙度，摩擦系数，以及较小的表面磨损量等优良性能。但纳米金刚石NCD涂层硬度较小，耐磨损性能较差，较容易出现磨损失效,因此不能在工程领域进行广泛应用。因此进一步研究NCD涂层，并对其进行接触力学分析，研究其力学行为，对扩大纳米金刚石的应用范围有很重要的现实意义。关键词：纳米金刚石；热丝化学气相沉积；摩擦磨损；接触力学Study on Contact Mechanics and Mechanical Behavior of Nano-Diamond Coupled by Low FrictionAbstractNanoscience and nanotechnology are
5、 the hotspots of researchers around the world in recent years. In the field of nanoscience and nanotechnology, nanomaterial science is complex, but the prospect is very broad, so it is a scientific branch worthy of study. Nano-diamond coatings can improve many of the surface properties of the engine
6、ering base material, including corrosion resistance, corrosion resistance and abrasion resistance. In addition, the diamond surface has a very low coefficient of friction, making it ideal for many occasions where the surface roughness requirements are high. Moreover, diamond films obtained by Hot fi
7、lament chemical vapor deposition (HFCVD) techniques have been shown to be useful in many special applications, making them a key technology application. Compared with traditional high pressure high temperature (HPHT) diamonds, this technology also significantly reduces the cost of synthetic diamonds
8、.Compared to micron diamond (MCD) coatings, nano-diamond(NCD) coatings have excellent surface roughness, coefficient of friction, and small surface wear and other excellent performance. However, NCD coating hardness is small, wear resistance is poor, more prone to wear failure, it can not be widely
9、used in engineering. Therefore, further study of NCD coating, and its contact mechanics analysis, to study its mechanical behavior, to expand the application of nano-diamond has a very important practical significance.Key words: Nanocrystalline Diamond; HFCVD;Friction Wear; Contact Mechanics第一章 绪论1.
10、1 纳米金刚石薄膜的研究背景由于钻石的美丽，人们对钻石的迷恋可以追溯到数千年前，在过去，钻石不仅是美丽的装饰品，而且是身份的象征。钻石一直被人类赋予神秘和传奇的色彩。钻石具有独特的光学特性和物理特性，是十分罕见的宝物，因此几千年来人类从未停止对它的研究。随着科技的发展，人类渐渐的发现它是一种由碳元素组成的天然矿物，具有极高的硬度，使它由单纯的饰品开始演变为工程上的关键材料。第一批和合成的金刚石是在上世纪50年代，采用了高温高压（HPHT）的方法合成，并且在接下来的十年金刚石的制造产业规模迅速扩大。由于合成钻石价格低廉，且具有天然钻石的相关物理性能，人们对金刚石的兴趣有很大提升，促使大量的人去研
11、究这一材料。在当时，人造金刚石主要作为切割工具。直到20世纪80年代，日本科学家Seiichiro Matsumoto and Nobuo Sekata对金刚石的合成工艺进行了优化，使用化学气相沉积法（CVD）来生产金刚石，将原来难以达到的高压合成环境变成低压。与高温高压金刚石不同，化学气相沉积金刚石可以作为微米颗粒或纳米颗粒结晶成薄膜，这种薄膜可以用作耐磨涂层。金刚石具有很高的化学稳定性，使得这种薄膜有很强的耐腐蚀性。金刚石的第一次医疗用途是作为人造髋关节部件的耐磨涂层。人类还研究了具有金刚石膜的心血管支架和牙科用的抗腐蚀涂层。为了确定金刚石植入人体有没有危害，人们广泛研究了金刚石和类金刚石
12、涂层的细胞毒性。研究表明金刚石和类金刚石涂层一般不会显示出细胞毒性。因此，金刚石样涂层已经被用于各种领域，包括食品包装，甚至使用类金刚石碳膜涂覆塑料材料的工艺。1.1.1 微米金刚石涂层的缺陷 随着科技的发展，用化学气相沉积法来生产和制备微米金刚石膜的技术已经相对成熟，并且它的应用范围越来越广。但随着人们对金刚石薄膜物理和化学性能要求的提高，它的缺点越来越明显，很难继续进一步应用。表面粗糙度是材料重要的物理性能，而微米金刚石薄膜在这方面的性能并不优越，这使得它很难应用于对表面质量要求很高的场合，因此要对它进行抛光打磨和光整，以此来减小其表面粗糙度。但金刚石具有极高的硬度和电阻率以及化学惰性，使
13、其难以进行抛光平整加工。近些年来，各国许多科学家对降低金刚石薄膜的表面粗糙度进行了研究，但一直没有显著的成效。微米金刚石内部存在应力和缺陷。缺陷使得金刚石膜在各个方向的耐磨性不同，其韧性也比较低。因此做成的道具并不适合冲击大的加工条件，而且，对于CVD金刚石涂层，膜与基地间结合晶格适配以及膜的应力等使得膜与基底粘接强度并不高，工件使用寿命较低。而且，当薄膜厚度过大时，很容易脱落，薄膜厚度达到最大剪应力深度时，MCD薄膜的冲蚀磨损性能也会有显著的下降。1.1.2 纳米金刚石涂层的优点及应用前景纳米金刚石薄膜具有极其优异的化学和物理特性，如低摩擦系数，高硬度，高弹性模量，高绝缘，高热导以及良好的化
14、学稳定性，因此，纳米金刚石薄膜在各个工业领域有极其广泛的应用前景。表1-1 光学级金刚石膜的光学特性光学性能光学级CVD金刚石膜天然金刚石膜透明性225nm到远红外225nm到远红外光学性能光学级CVD金刚石膜天然金刚石膜在8-12m的吸收系数/cm-10.1-0.3（20）0.2-0.6（200）0.03-0.05（20）在10m的折射率2.382.376微波介电性质=5.7，tan410-413.6GHz=5.610.05，tan（610-435GHz塑料是材料领域的一项重大发明，CVD金刚石薄膜的问世，被各国科学家誉为继塑料以来材料领域的一项最伟大的发明。所以，这一材料受到各国的高度重视
15、，日本，没过，英国，俄罗斯等国家都把它列入国家重大发展项目。化学气相沉积是一种高温下的气相反应，它可以在基底表面形成一层致密的薄膜。通过这种工艺加工出来的材料，具有特殊的物理性能和化学性能，是普通加工方法难以达到的。CVD工艺和HPHT工艺一样，也采用了金刚石晶种沉积在活性碳源基底上，增加了晶体的尺寸。在它最简单的形式中，CVD工艺的进行也需要金刚石晶种，将含碳气体与过饱和氢气混合在一起。在所有的CVD工艺中，气体混合物中氢原子的存在，决定了碳原子的形式是金刚石还是石墨。为了促进CVD金刚石的产业化进程和基础研究，研究人员一直在努力克服CVD金刚石膜的结构缺陷。现有两种方法可以提高薄膜的机械强度和韧性，降低表面粗糙度。首先是利用外延生长大单晶金刚石薄膜，特别是异质外延生长的单晶金刚石薄膜。但是 CVD 技术也具有一定的局限性，只能进行小面积的同质外延及异质衬底上的结构生长。短期内，对于大面积的异质外延单
