毕业论文课题相关文献综述

文 献 综 述

1. 引言

近些年，材料表面镀层在新技术、新材料的研讨和运用方面均获得重大进展，尤其是镀层技术在现代工业出产中有相当大的实用价值，随着现代加工制造业的飞速发展，要求表面既要有高硬度、高结合力、高的耐热温度和较好的韧性，单一的材料或镀层很难完全满足这些性能要求^[3]。二十一世纪以来，全球经济增长所引发人们对资源消耗达到了空前的程度。摩擦损失占据世界上一次能源的1／3～1／2，磨损也是导致材料破坏和设备报废的主要原因之一。针对这种情况材料的表面改性技术受到广泛的关注，只要在适当的基材上镀覆微米或纳米级厚度的镀层，就可以改变零件表面的化学成分、相结构、显微组织和应力状态，显著提高工具的使用寿命^[11]。在各种新兴的镀层材料中，类石墨镀层因具有较高的硬度、高的膜基结合强度、低的摩擦系数、低磨损率、较好的韧性及高承载能力，在空气、油或水中表现出更出色的摩擦性能，因而引起了科学工作者的特别关注，被广泛应用于有耐磨要求高的工具表面以延长其使用寿命^[3,8]。

2.类石墨镀层的研究进展

碳元素处于元素周期表中第二周期第IV主族,性能差异极大的金刚石和石墨是人们熟知的两种碳的同素异构体,而其他诸如以C₆₀为代表的富勒烯分子和碳纳米管则是近十年来人类的新发现的^[7]。1996年,Amaratunga提出了高硬度sp²碳结构的存在,随后Lacerda和其研究小组制备出了高硬度非晶碳镀层,发现其中并无明显的sp³结构而是以随机分布的类石墨（sp²）原子簇结构为主。与此类似,Teer公司用全封闭非平衡磁控溅射离子镀(CFUMIP)制得的高硬度碳镀层(专利G-iC镀层)被认为是以sp²结构为主,硬度可达到20一40GPa,而且在与钢铁材料摩擦时不出现触媒反应,在1200rpm转速干钻削34CrNiMo6合金钢时寿命比无镀层高速钢钻头提高3~5倍,甚至比TiN镀层还提高3倍,因此是一种新型碳镀层，因为它的结构与石墨类似，因此被称为类石墨（Graphite-like carbon films, 简称GLC膜）镀层^[11-13]。

2.1类石墨镀层的组成

在GLC中引入少量的Ti或Cr等元素，不但可保持其高硬度、低摩擦系数、低磨损率、较好的韧性及高承载能力，在空气、油或水中表现出更出色的摩擦性能，且随载荷的增加，摩擦系数还相应降低。金属Cr在镀层中还具有增强韧性和抗氧化性能，明显改善镀层的综合性能。因此掺铬类石墨镀层被认为是一种应用前途更广阔的理想减摩抗磨镀层^[15]。GLC由三层组成（图1.1是类石墨镀层的模型）由下而上分别是Cr层（底层）、Cr-C/Cr过渡层和C/Cr复合层（工作层）组成。类石墨镀层表面是典型的岛团状聚集态,随着石墨靶电流的增大,镀层表面岛尺寸变大、高度增加,镀层表面粗糙度随之增大:SEM与TEM分析显示实验制备的类石墨镀层是一种成分梯度分布的复合梯度镀层,Cr底层是以典型的柱状晶方式生长,从Cr底层往上过渡层中碳含量逐渐增加,其内部存在Cr的纳米晶,碳层以非晶结构为主,靶电流较小时碳层存在Cr的富集区域,靶电流增大镀层的非晶程度提高而且Cr开始弥散分布到碳层中:不同靶电流下镀层的电阻率(Ω/m)在10^-5,到10^-7数量级,说明类石墨镀层的导电性良好,表面碳层中是以sp²键为主,靶电流增大碳层sp³/sp²比例先增加后减小^[1]。

图1.1 类石墨镀层结构示意图

2.2类石墨镀层的特点