等離子體CVD法制備氮化碳涂層的理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、晶體氮化碳材料是一種在自然界未被發(fā)現(xiàn)的新型超硬材料，α、β、立方和準(zhǔn)立方相氮化碳的體彈性模量都能夠媲美甚至超過(guò)金剛石。另外，優(yōu)異的化學(xué)惰性和耐磨性也使得晶體氮化碳有望在刀具涂層方面有突出的表現(xiàn)。
　　本文開(kāi)展了等離子體CVD法制備氮化碳材料的理論與實(shí)驗(yàn)研究，主要內(nèi)容包括計(jì)算仿真、機(jī)理分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三個(gè)部分。本文主要研究及結(jié)論如下：
　　(1)利用Material Studio軟件進(jìn)行了第一性原理化學(xué)吸附仿真研究。研究表明：N

2、2分子在金剛石過(guò)渡層和硬質(zhì)合金表面不產(chǎn)生化學(xué)吸附，N原子在其表面上產(chǎn)生化學(xué)吸附；N原子在硬質(zhì)合金表面吸附能比在金剛石過(guò)渡層上有更大的值；N原子在硬質(zhì)合金表面比在金剛石過(guò)渡層上更易于與基底成鍵，氮化碳更易于在其上直接形核和生長(zhǎng)；若采用直流電弧等離子體噴射法制備晶體氮化碳膜，可以通過(guò)增大反應(yīng)氣體配比中N2分子量和提高電弧功率密度，產(chǎn)生更多活性N原子，以便提高氮化碳膜形核和生長(zhǎng)效率。
　　(2)對(duì)等離子體CVD法制備晶體氮化碳涂層的機(jī)理

3、進(jìn)行了研究。有別于王季陶提出的CVD法制備金剛石膜的“化學(xué)泵”理論，提出了應(yīng)用于氮化碳涂層制備過(guò)程的新型“化學(xué)泵”模型；在金剛石過(guò)渡層上沉積氮化碳涂層時(shí)，基底溫度對(duì)金剛石相和氮化碳相的刻蝕與沉積產(chǎn)生顯著影響，并提出了在適當(dāng)溫度下金剛石相刻蝕和氮化碳相沉積同時(shí)進(jìn)行的假設(shè)模型；當(dāng)?shù)?碳源配比在100：1~10：1時(shí)，氮化碳膜才易于成核和生長(zhǎng)，并且碳源濃度增長(zhǎng)對(duì)氮化碳的晶形和晶粒大小影響很大；沉積氣壓與碳源濃度有交互作用，共同對(duì)氮化碳材料的

4、形貌有顯著影響。
　　(3)采用直流電弧等離子體噴射法分別在金剛石過(guò)渡層和硬質(zhì)合金上開(kāi)展制備氮化碳實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)論和理論分析進(jìn)行對(duì)比研究。對(duì)在不同基底溫度下金剛石過(guò)渡層沉積的氮化碳涂層進(jìn)行SEM，XRD等測(cè)試，研究表明基底溫度對(duì)金剛石過(guò)渡層上制備的氮化碳涂層的晶形和晶粒大小產(chǎn)生顯著影響；首次在硬質(zhì)合金基底上直接制備出了晶形較為完好的氮化碳晶體涂層，并對(duì)在不同碳源濃度條件下于硬質(zhì)合金上沉積氮化碳涂層進(jìn)行SEM，XRD等測(cè)