以cr為中間層的類石墨梯度層微觀結(jié)構(gòu)分析課程設(shè)計論文

課程設(shè)計（論文）題目：以cr為中間層的類石墨梯度層微觀結(jié)構(gòu)分析

畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得及其它教育機構(gòu)的學位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作者簽名：日期：指導教師簽名：日期：使用授權(quán)說明本人完全了解大學關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。作者簽名：日期：

學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期：年月日學位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學位論文作者完全了解學校有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規(guī)定處理。作者簽名： 日期：年月日導師簽名：日期：年月日

注意事項1.設(shè)計（論文）的內(nèi)容包括：1）封面（按教務處制定的標準封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關(guān)鍵詞4）外文摘要、關(guān)鍵詞5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論7）參考文獻8）致謝9）附錄（對論文支持必要時）2.論文字數(shù)要求：理工類設(shè)計（論文）正文字數(shù)不少于1萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字數(shù)不少于1.2萬字。3.附件包括：任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯別字，不準請他人代寫2）工程設(shè)計類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計算機繪制，所有圖紙應符合國家技術(shù)標準規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準用徒手畫3）畢業(yè)論文須用A4單面打印，論文50頁以上的雙面打印4）圖表應繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設(shè)計（論文）2）附件：按照任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）次序裝訂

指導教師評閱書指導教師評價：一、撰寫（設(shè)計）過程1、學生在論文（設(shè)計）過程中的治學態(tài)度、工作精神□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、學生掌握專業(yè)知識、技能的扎實程度□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、學生綜合運用所學知識和專業(yè)技能分析和解決問題的能力□優(yōu)□良□中□及格□不及格4、研究方法的科學性；技術(shù)線路的可行性；設(shè)計方案的合理性□優(yōu)□良□中□及格□不及格5、完成畢業(yè)論文（設(shè)計）期間的出勤情況□優(yōu)□良□中□及格□不及格二、論文（設(shè)計）質(zhì)量1、論文（設(shè)計）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計）任務（包括裝訂及附件）？□優(yōu)□良□中□及格□不及格三、論文（設(shè)計）水平1、論文（設(shè)計）的理論意義或?qū)鉀Q實際問題的指導意義□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計是否有創(chuàng)意？□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、論文（設(shè)計說明書）所體現(xiàn)的整體水平□優(yōu)□良□中□及格□不及格建議成績：□優(yōu)□良□中□及格□不及格（在所選等級前的□內(nèi)畫“√”）指導教師：（簽名）單位：（蓋章）年月日

評閱教師評閱書評閱教師評價：一、論文（設(shè)計）質(zhì)量1、論文（設(shè)計）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計）任務（包括裝訂及附件）？□優(yōu)□良□中□及格□不及格二、論文（設(shè)計）水平1、論文（設(shè)計）的理論意義或?qū)鉀Q實際問題的指導意義□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計是否有創(chuàng)意？□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、論文（設(shè)計說明書）所體現(xiàn)的整體水平□優(yōu)□良□中□及格□不及格建議成績：□優(yōu)□良□中□及格□不及格（在所選等級前的□內(nèi)畫“√”）評閱教師：（簽名）單位：（蓋章）年月日2009級材料物理化學系材料分析測試課設(shè)論文PAGEPAGE16教研室（或答辯小組）及教學系意見教研室（或答辯小組）評價：一、答辯過程1、畢業(yè)論文（設(shè)計）的基本要點和見解的敘述情況□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、對答辯問題的反應、理解、表達情況□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、學生答辯過程中的精神狀態(tài)□優(yōu)□良□中□及格□不及格二、論文（設(shè)計）質(zhì)量1、論文（設(shè)計）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計）任務（包括裝訂及附件）？□優(yōu)□良□中□及格□不及格三、論文（設(shè)計）水平1、論文（設(shè)計）的理論意義或?qū)鉀Q實際問題的指導意義□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計是否有創(chuàng)意？□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、論文（設(shè)計說明書）所體現(xiàn)的整體水平□優(yōu)□良□中□及格□不及格評定成績：□優(yōu)□良□中□及格□不及格教研室主任（或答辯小組組長）：（簽名）年月日教學系意見：系主任：（簽名）年月日

材料分析測試課程設(shè)計任務書材料物理與化學系材料物理材物092第2組課程設(shè)計題目：以cr為中間層的類石墨梯度層微觀結(jié)構(gòu)分析課程設(shè)計內(nèi)容要求：用閉合場非平橫磁控濺射方法制備類石墨中間層,并且運用xps和各種電鏡分析手段分析檢測該薄膜的成分、微觀組織形貌、摻雜cr對其理化性質(zhì)的影響。得出結(jié)論，并完成一篇課程設(shè)計論文。

學生（簽名）2013年1月4材料分析測試方法課程設(shè)計評語

教師簽字：年月日目錄第一章前言 -2-1.1類石墨鍍層（GLC）簡介 -2-1.2類石墨鍍層制備技術(shù) -2-1.3非平衡磁控濺射技術(shù)簡介 -3-第二章實驗分析方法及實驗儀器 -4-2.1實驗分析 -4-2.2實驗儀器及簡介 -4-第三章實驗結(jié)果分析 -6-3.1XPS分析 -6-3.2電鏡分析 -8-3.2.1TEM分析 -8-3.2.2SEM分析 -10-3.3原子力顯微分析（AFM） -12-第四章結(jié)論 -14-前言為適應精密制造的切削加工要求,期望刀具鍍層具有小的摩擦系數(shù),低磨損率,自潤滑和高溫環(huán)境下的組織穩(wěn)定性.被深入研究的金剛石和類金剛石鍍層是以sp3碳鍵結(jié)構(gòu)為主，表現(xiàn)出非常好的摩擦學性能，已應用在刀具模具表面作為減模抗模鍍層，但這兩種鍍層都有很高的內(nèi)應力，降低了鍍層與基體結(jié)構(gòu)強度，導致鍍層容易從基體上剝落，影響其使用壽命，此外與黑色金屬之間的能媒效應，引起鍍層的金剛石結(jié)構(gòu)向石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化而早期失效，而且硬度高，脆性大，承載能力差，使其工業(yè)應用受到了限制。1996年，提出了高硬度sp2碳結(jié)構(gòu)的存在，很快有人發(fā)現(xiàn)，主要有sp2結(jié)構(gòu)的碳鍍層硬度可接近金剛石的硬度。而具有石墨的導電性能，被稱之為類石墨鍍層。若在glc中引入少量的ti或cr等元素，不但可保持其高硬度，低摩擦系數(shù)，低磨損率，較好地韌性極高承載能力。在空氣或水中表現(xiàn)出更出色的摩擦性能。且隨載荷的增加，摩擦系數(shù)還相應降低，金屬鉻在鍍層中還具有增強韌性和抗氧化性能，明顯改善鍍層的綜合性能。且此摻鉻類石墨鍍層被認為是一種此類金剛石鍍層應用前途更廣闊的理想減摩抗摩鍍層。1.1類石墨鍍層簡介類石墨(Graphite-LikeCarbon,GLC)鍍層是以sp結(jié)構(gòu)為主的高硬度碳鍍層,硬度可達到20~40GPa。GLC鍍層具有良好的導電性能、適中的硬度、高承載能力、很低的摩擦系數(shù)和磨損率,而且與黑色金屬接觸時不存在觸媒效應,可應用于電子、機械、醫(yī)療器械等行業(yè),因而引起了材料研究者的關(guān)注。制備GLC鍍層的方法有磁控濺射法和離子束輔助磁控濺射法。目前對GLC鍍層的研究還不夠深,不同的工藝沉積的鍍層性能有較大差異。1.2類石墨鍍層制備技術(shù).采用離子束輔助磁控濺射技術(shù)，閉合場非平衡磁控濺射技術(shù)都可以制備具有適中硬度，優(yōu)良摩擦性能的類石墨膜。然而，采用離子束輔助磁控濺射技術(shù)制備的類石墨鍍層在一定程度上可以通過改變膜層的組織來獲得良好的性能，但卻不能實現(xiàn)復合成分和梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計，難以獲得具有優(yōu)異結(jié)合性能的鍍層。在本文中，采用非平衡磁控濺射離子鍍技術(shù)制備的類石墨鍍層，具有成分梯度變化的復合多層結(jié)構(gòu)，其中最外層工作層是含有微量的鉻元素。此種鍍層結(jié)構(gòu)設(shè)計，很大程度改善了鍍層結(jié)合性能，且根據(jù)文獻資料可知，含鉻的類石墨鍍層具有更好的耐磨減摩性能。因此對于刀具模具及一些機械零部件來說，該鍍層具有更好的研究價值和應用前景。利用非平衡磁控濺射離子鍍設(shè)備能夠在待鍍工件上沉積納米厚度的鍍層特別是適用于精密要求更嚴格的航空航天及精密儀器制造等行業(yè)的零部件改性。1.3非平衡磁控濺射技術(shù)磁控濺射離子鍍是把磁控濺射技術(shù)和離子鍍技術(shù)結(jié)合起來，在基體加有負偏壓的磁控濺射鍍膜技術(shù)。結(jié)合了磁控濺射成膜速率高，大平面源，鍍層厚度均勻等優(yōu)點和離子鍍過程散射性好，鍍層附著力強，可鍍材料廣泛等優(yōu)點，形成了一種新的鍍膜技術(shù)，在一個裝置中實現(xiàn)氬離子對磁控靶的大面積穩(wěn)定的濺射，與此同時在工件負偏壓的作用下，高能的靶材元素原子或離子在工件上發(fā)生轟擊，濺射，注入及沉積過程。磁控濺射離子鍍可以在膜基界面形成界面混合層，因此可以使得鍍層與基體結(jié)合良好；能使膜材與機體形成金屬間化合物或固溶體，實現(xiàn)表面合金化。它集合了磁控濺射技術(shù)和離子鍍過程的優(yōu)點，形成了一種新的鍍膜技術(shù)。磁控濺射離子鍍的原理如圖所示。鍍膜室抽至高真空后，沖入氬氣，控制真空度在10-110-2pa.當基片上加400—1000v的負偏壓時，在靶材和基片之間便產(chǎn)生輝光放電。離化的氬離子被電場加速并轟擊在基片表面，從而實現(xiàn)表面清洗，完成基片表面清洗后，氬離子轟擊靶材表面，使靶材原子從靶材表面濺射下來，向基片遷移。濺射原子進入等離子區(qū)與離化的惰性氣體及電子發(fā)生撞，產(chǎn)生離化，離化的離子受到電場的加速，達到基片上最終形成膜，鍍膜的前一半過程與磁控濺射相同，后一半過程與粒子鍍相同。濺射離子鍍在基片上施加負偏壓后，在某些情況下，基片的負偏壓電場會影響平面磁控靶的正常放電。當基片的負偏壓過高或基片與被控靶的距離過近時，磁控靶的放電不穩(wěn)定，甚至輝光熄滅，這時應采取相應的措施，保證磁控靶穩(wěn)定工作。而閉合場非平衡磁控濺射離子鍍設(shè)備的獨特之處在于該設(shè)備至少包含有兩個磁控管，這樣將某一磁極的磁場對于另一極性相反的磁場增強或減弱，導致磁場分布的非平衡。在保證靶面水平磁場分量有效的約束二次電子運動，可以維持穩(wěn)定的磁控濺射放電的同時，另一部分電子沿著強磁級產(chǎn)生的垂直靶面的縱向磁場，進一步提高了鍍膜空間的等離子體密度；有利于提高沉積速率。閉合場非平衡磁控濺射離子鍍技術(shù)特點是：鍍膜過程中有負偏壓參與，從而形成離子鍍，使得膜基片結(jié)合力提高。離子電流密度比傳統(tǒng)的磁控濺射提高十幾倍，極大地提高了成膜效率；同時較大的粒子流密度和能量，可以改善鍍層的結(jié)構(gòu)和物理性能。工藝操作簡單，濺射成膜便于實現(xiàn)鍍層成分和結(jié)構(gòu)的控制。實驗分析方法和實驗儀器2.1鍍層組織結(jié)構(gòu)的觀察與分析a.鍍層的X射線能譜（XPS）觀察xps是一種基于光電效應的電子能譜，他是利用x射線光子激發(fā)出物質(zhì)表面原子的內(nèi)層電子，通過對這些電子進行能量分析而獲得表面成分信息的一種光譜?？梢杂脕矸治鲥儗颖砻娉煞?。b．鍍層的掃描電子顯微鏡(SEM)觀察掃描電子顯微鏡的成像原理是利用細聚焦的電子束在樣品表面掃描時激發(fā)出的各種物理信號調(diào)制成像，新型掃描電子顯微鏡的二次電子像的分辨率已達到3-4nm，放大倍數(shù)可從數(shù)位原倍放大到20萬倍左右，由于掃描電子顯微鏡的景深遠比光學顯微鏡大，可以用它進行表面的微觀結(jié)構(gòu)分析。c.鍍層的透射電子顯微鏡(TEM)觀察薄膜材料的厚度僅為微米量級或者更薄，對其微觀結(jié)構(gòu)的研究十分困難，透射電子顯微分析是薄膜材料微結(jié)構(gòu)研究最重要的手段之一。由于薄膜依附于基體生長且通常具有擇優(yōu)取向和柱狀晶生長等微觀特性應而采用截面樣品從薄膜生長的橫斷面進行觀察和研究，可以得到更多的材料微觀結(jié)構(gòu)信息。但是薄膜的TEM截面樣品制備過程較為繁瑣，難以掌握。本文以2024鋁合金基體上沉積的類石墨鍍層為例介紹薄膜截面樣品的制備方法和步驟。（1）取樣采用電火花線切割從鍍膜試樣上截取2×1×1.5mm的小長方塊，保證每個小塊樣品相鄰各個面都相互垂直，每個面都平整。然后在丙酮和無水乙醇中進行超聲波清洗處理，烘干備用。（2）對粘和磨制挑選兩塊清洗好的小樣品，使用環(huán)氧樹脂把膜面與膜面對粘，保證膜相對的兩個平面水平，用夾具固定，然后在70~80℃的溫度下加熱30min使環(huán)氧樹脂固化。取下試樣，用熱熔膠固定在磨樣臺上，在砂紙上打磨與膜層垂直的面。（3）磨制與粘環(huán)先用較粗水砂紙，后用粒度為30μm~10μm的金相砂紙沿一個方向手工打磨，打磨過程中要隨時觀察其表面狀態(tài)。之后在光學顯微鏡下用環(huán)氧樹脂在磨制好的面上粘專用銅環(huán)（外徑Φ3mm，內(nèi)徑為Φ0.5mm，厚度為0.02mm），必須保證鍍層在銅環(huán)中心；這樣提高了樣品的強度和剛度，以免繼續(xù)打磨時對粘的兩樣品分離。粘銅環(huán)后將其翻轉(zhuǎn)，用熱熔膠粘在磨樣臺上繼續(xù)打磨，至膠被磨平、銅環(huán)裸露出時停止打磨。此時樣品厚度約為50~60μm。（4）釘薄與離子減薄取下帶有銅環(huán)的樣品，用熱熔膠將其粘在Fischione200型凹坑研磨儀的樣品臺中心，對樣品進行釘薄，在樣品厚度剩余20μm左右時將其取下。然后用Fischione1010型離子減薄儀對樣品進行離子減薄。利用聚焦離子束對低速旋轉(zhuǎn)的樣品進行雙面離子轟擊，先采用與試樣平面約為10°傾角的離子束進行轟擊，待觀察到樣品中央穿孔后，再將離子束傾角減小為4°進行清掃，以擴大穿孔附近的薄區(qū)范圍。d.鍍層的AFM觀察原子力顯微鏡（AFM）的原理是利用針尖與樣品表面原子間的微弱作用力來作為反饋信號，維持針尖——樣品間作用力恒定，同時針尖在樣品表面掃描，從而得知樣品表面的高低起伏。因而可以采用原子力顯微鏡觀察鍍層的表面形貌。第三章．實驗結(jié)果及分析3.1XPS分析圖1所示是樣品的全譜圖，從圖中可以看出，鍍層中除了濺射沉積的靶材C、Cr外，還含有少量的Ar原子與氧原子圖2,3,4,5分別為Cr2p，O1s，C1s，Ar2p結(jié)合能窄譜及擬合曲線。圖1樣品XPS圖譜全譜如圖2所示，通過XPS分析，金屬Cr在鍍層中主要以單質(zhì)，氧化物或碳化物的狀態(tài)存在，其中Cr的氧化物是單質(zhì)Cr與沉積室內(nèi)殘存的氧分子結(jié)合或再在空氣中被氧化的結(jié)果。Cr還在沉積的過程中與C結(jié)合生成了CrC。其中,鉻單質(zhì)的含量為52.1%鉻的氧化物的含量為31.8%鉻的碳化物的含量為16.1%。圖2Cr2p-XPS結(jié)合能及擬合曲線如圖3所示，通過XPS分析，樣品中的氧主要以氧化鉻和碳的氧化物形式存在。含量分別為66.0%和34.0%。O-CrO-Cr圖3O1s結(jié)合能及擬合曲線如圖4所示，通過XPS分析，碳元素在樣品中大量以碳單質(zhì)的形式存在，其中，有83.8%為Sp2結(jié)構(gòu)，11.3%為Sp3結(jié)構(gòu)，4.7%為氧化物的形式存在。圖4C1s結(jié)合能及擬合曲線圖5Ar2p結(jié)合能及擬合曲線3.2電鏡分析本實驗中用到的電鏡主要包括透射電子顯微鏡（TEM）和掃描電子顯微鏡（SEM）兩種。通過TEM分析發(fā)現(xiàn)樣品鍍層的電子衍射花樣為彌散衍射環(huán)狀，說明選區(qū)鍍層為非晶態(tài)為主同時夾雜了多晶體的混合物。應為表層石墨層的衍射花樣。表層衍射花樣和表面形貌如圖6所示。圖6TEM電子衍射花樣及選區(qū)表面形貌圖7所示的電子衍射花樣衍射斑點