B-C-N涂层的制备及摩擦学性能研究开题报告

 2021-08-08 12:08

全文总字数:2506字

1. 研究目的与意义

随着木材工业的发展,使木制品切削加工发生了根本变化,因此对刀具性能也提出了苛刻的要求。木材切削不同于金属切削过程,加工时多是干式切削,且木屑带不走热量,刀具工件切屑之间的剧烈摩擦必然导致切削刃产生高温,从而加速木材组分的热分解发生。对落叶松(新鲜木材和干燥木材)进行热分解分析(TG-FTIR),发现落叶松内的酚类物质会在220℃开始形成,330℃达到最高值;即使干燥过的落叶松木材在低温下(190~210℃)也会释放出多种酸类、酚类、酯类和醇类物质;而新鲜落叶松木材在200℃时会产生大量的乙酸;此外,大部分木材的PH值在4~6之间。所以在木材加工过程中存在腐蚀磨损的潜在条件。早在1939年,Kalinin就指出湿木材对刀具有腐蚀作用。常规木工刀具在醋酸和多酚化合物的侵蚀下,金属元素会被氢离子夺去电子,形成金属离子和氢气;因此,醋酸和多酚化合物对碳钢、钨钴类YG和钨钛类YT硬质合金都有腐蚀作用。对比Si3N4/SiC和WC烧结陶瓷刀具切削性能,发现在Si3N4/SiC涂层刀具寿命是WC刀具的2倍;在抗腐蚀性能测试中,WC陶瓷在0.1M鞣酸溶液中浸泡时间32小时后出现明显的点蚀,而Si3N4/SiC涂层具有较好的抗腐蚀性能,刀具材料良好的抗腐蚀性有利于延长刀具寿命。基于木材加工的特殊性,木工刀具遭受机械擦伤磨损和腐蚀磨损的共同作用。但到目前为止,尚没有详细报道关于摩擦诱导腐蚀对木工刀具材料退化的影响机理。

B4C涂层由于具有较高的硬度(~40GPa)而常备用作刀具材料和保护涂层,但是在干摩擦条件下,常会获得较高的摩擦系数(0.59~0.65)和降低的抗磨性(~10-5mm3/Nm)。为了提高其摩擦性能,本课题运用射频磁控溅射的方法,通过改变N2流量和沉积偏压在Si(100)和316L不锈钢上沉积了一系列的B-C-N涂层。研究了制备参数对薄膜物相结构、微观形貌及机械性能的影响,从而优化BCN薄膜的制备参数。探讨了制备参数和摩擦参数(载荷和滑动力学性能速率)B-C-N涂层球-盘式摩擦学行为的影响规律。此外,研究了B-C-N涂层在NaCl溶液中的电化学性能。为B-C-N涂层作为木工刀具的应用提供理论支持。其研究成果将拓宽硬质涂层设计和制备思路,提高我国绿色摩擦学的研究水平。

2. 国内外研究现状分析

近年来,b-c-n涂层由于其高硬度、低摩擦、高熔点和优异的化学稳定性,使其成为一种具有竞争力的保护膜,研究人员对b-c-n涂层从力学性能、摩擦学性能以及抗腐蚀性能等方面进行了比较全面的研究。首先研究人员在不同情况下研究了b-c-n涂层的力学性能,如takeshihasegawaa等运用电子束激发等离子体(cvd)的方法,通过改变不同的气体流量制备了bcn涂层。研究了碳含量对涂层结构的稳定性影响,发现当cf于0.045时,硬度急剧下降约10gpa,且该结构对薄膜碳含量非常敏感,致密的立方相只存在于一个碳含量较低的区域(cf小于等于0.045),并且随着碳含量的增加而突然消失[takeshi hasegawaa, 2003]。其次,s.c. chien等运用直流(dc)和射频(rf)磁控共溅射的方法,通过改变bn靶功率(100~300w)和石墨靶功率(10~60w)制备了系列bcn涂层。研究了温度和碳含量对涂层力学性能的影响,发现在低温制备时(≤200℃),碳含量在25at.%时,涂层的最大硬度和弹性模量分别为12.5gpa和150gpa;而在高温制备时(≥400℃),涂层在碳含量为40at.%时获得较大的硬度。涂层较低的硬度是因为在a-bcxn网状结构中形成了c(sp)-n键和较高的氧含量(~10%)[s.c. chien, 2003]。

随着研究人员对于bcn薄膜力学性能研究的不断完善,现如今,研究的重点放在了bcn薄膜的摩擦学性能方面了。shojiro miyake等运用射频(rf)-反应射频设备(fp-46)的溅射室中制备了bcn薄膜和c-n薄膜,研究在不同负载的情况下(100-200微牛)以及不同薄膜的微摩擦学性能。研究发现,bcn薄膜具有较高的硬度和微波电阻,且1nm的bcn薄膜有良好的摩擦学性能,通过划痕实验发现bcn薄膜的残差深度和最大深度小于cn膜并且1nm的b-n涂层在缩进过程中具有较好的弹性性能,同时bcn薄膜硬度越高,其耐磨性越强,比起其他的薄膜,bcn有着更低的损耗调整。最终发现采用afm方法对于bcn涂层的使用可以有效的降低微摩擦,并且1nm的bcn薄膜在超低负荷下呈现出很强的持久性,同时等离子体处理在提高薄膜的防磨损性能有很大的作用[shojiromiyake,2005]。

在人们对bcn薄膜涂层的研究中发现,bcn具有良好的抗腐蚀性能,eungsun byona等运用磁控溅射的方法,研究了碳含量对bcn薄膜的抗腐蚀性能的影响。结果表明,随着碳含量的增加, bcn薄膜的耐腐蚀性也随之增加。最终发现bcn薄膜的溶解速率随着naoh、nacl浓度的降低而降低,bcn薄膜的溶解度随着碳含量的增加而降低[eungsun byona,2004]。

剩余内容已隐藏,您需要先支付后才能查看该篇文章全部内容!

3. 研究的基本内容与计划

研究内容:根据实验室所具备的各项试验条件,采用磁控溅射技术来制备各种不同的bcn薄膜,并且对bcn薄膜的摩擦学性能进行研究。

时间安排:

1、查阅相关资料文献,熟悉课题内容,了解薄膜技术发展历程和制备的技术重点,以及特殊元素对薄膜特性的影响,提前设定好实验时所需调整和改变的工艺参数以及所需记录的实验数据参数。 2周

剩余内容已隐藏,您需要先支付后才能查看该篇文章全部内容!

4. 研究创新点

实验室采用磁控溅射技术来制备各种不同的BCN薄膜,改变B、C元素含量制备不同的薄膜,可以分别总结B、C元素含量的多少以及温度对薄膜各个方面性能的影响。从而获得合适的BCN薄膜。同时通过观察其磨损机理我们可以研究更耐磨的BCN涂层。

剩余内容已隐藏,您需要先支付 5元 才能查看该篇文章全部内容!立即支付

课题毕业论文、开题报告、任务书、外文翻译、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。