無機(jī)表面薄膜力學(xué)及耐蝕性能研究.pdf

1、表面薄膜賦予材料表面耐磨、耐蝕、耐熱、耐疲勞以及特殊的光、熱、電和磁等多種功能，在現(xiàn)代高新技術(shù)中受到了越來越多的重視，成為材料科學(xué)中最活躍的研究領(lǐng)域之一。薄膜材料和薄膜技術(shù)為機(jī)械、能源和交通等部門，以及現(xiàn)代軍事提供了具有優(yōu)異性能的新材料和器件，極大地促進(jìn)了光電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、航空航天技術(shù)等現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展，在高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)中具有舉足輕重的作用。本文研究了三種無機(jī)薄膜的制備工藝及其力學(xué)和耐蝕性能，獲得了一些有意義的結(jié)果。 采用

2、磁控濺射方法在硅和玻璃基體上沉積了BaTiO3(BTO)薄膜，通過原位測試不同厚度BTO 薄膜的應(yīng)力、介電常數(shù)和鐵電性能隨溫度的變化規(guī)律，系統(tǒng)研究了薄膜的鐵電性能與厚度和應(yīng)力的關(guān)系，并用兩種方法確定BTO 薄膜的雙軸楊氏模量和熱膨脹系數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，BTO 薄膜中的應(yīng)力為張應(yīng)力。膜中張應(yīng)力隨薄膜厚度的減小而增大，導(dǎo)致居里溫度下降，剩余極化減小，矯頑場增大。特別是當(dāng)厚度較小(35～250nm)時(shí)，這種變化更加明顯。張應(yīng)力對薄膜居里溫度的

3、影響主要位于300-450Mpa 應(yīng)力區(qū)間，在該區(qū)間內(nèi)，應(yīng)力增大導(dǎo)致薄膜居里溫度線性下降（0.16℃/Mpa）。根據(jù)溫度升高過程中BTO 薄膜應(yīng)力曲線的斜率變化、介電常數(shù)峰值、電滯回線收縮等確定的居里溫度一致。由于薄膜中張應(yīng)力的存在，BTO 薄膜相變溫度比體材料的相變溫度低。電滯回線表明鐵電-順電相變開始于BTO 薄膜的居里溫度，并持續(xù)到接近BTO 體材料的居里溫度。說明BTO 薄膜中存在多種疇。BTO 薄膜的鐵電性能主要由膜內(nèi)疇決定，

4、而表面疇的影響相對很小。另外，根據(jù)升溫過程中鐵電-順電相變時(shí)晶胞體積和應(yīng)變的變化，以及不同基體上BTO 薄膜應(yīng)力隨溫度變化率的計(jì)算結(jié)果表明，BTO 薄膜雙軸楊氏模量比體材料的稍大，而熱膨脹系數(shù)比體材料的偏小。 薄膜應(yīng)力的存在和變化對薄膜與基體的粘結(jié)強(qiáng)度有很大影響。為了制備高質(zhì)量的類金剛石（DLC）薄膜，并改善DLC 薄膜和基體之間的粘接強(qiáng)度，采用雙離子束轟擊混合（DIBM）技術(shù)+離子束沉積(IBD)技術(shù)在鋼基體上沉積DLC 膜

5、，研究了DLC 膜的力學(xué)性能和耐蝕性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用DIBM + IBD 沉積技術(shù)可以明顯提高DLC 膜和鋼基的復(fù)合硬度，而且還使硬度峰值向低能方向偏移；同時(shí)顯著地提高了DLC 膜/基的粘結(jié)強(qiáng)度（當(dāng)DIBM 技術(shù)中所用中能Ar+束能量為30keV 時(shí)，其沉積的DLC 膜臨界載荷Pc 為IBD 工藝沉積膜Pc 的2 倍以上）。鋼表面類金剛石膜改性后，不僅具有減摩作用，而且表現(xiàn)出良好的耐磨性。失重試驗(yàn)結(jié)果表明，類金剛石膜可顯著降低鋼基

6、體在腐蝕介質(zhì)中的腐蝕速率，提高基體試樣抗均勻腐蝕的能力。從電化學(xué)實(shí)驗(yàn)和金相顯微分析可知，鋼基體上沉積的DLC 膜對腐蝕介質(zhì)具有物理阻滯作用，可以有效地防止腐蝕介質(zhì)滲入鋼基體表面，提高鋼基體在腐蝕介質(zhì)中的穩(wěn)定性；同時(shí)還能增大陽極極化過程的阻力，降低電極催化活性，提高其耐蝕能力，特別是改善了鋼基體抗點(diǎn)蝕等局部腐蝕的能力。 另外，用重量法和電化學(xué)方法研究了鍍液成分和工藝參數(shù)對化學(xué)鍍Fe-P 合金沉積速率和鍍層耐蝕性能的影響。實(shí)驗(yàn)中，

7、采用了銅基體偶接鋁的方法。實(shí)驗(yàn)表明，偶接鋁使施鍍體系的電極電位負(fù)移，降低了體系的陰、陽極極化阻抗，誘導(dǎo)了Fe-P 合金的化學(xué)沉積。從鍍液組分的反應(yīng)級(jí)數(shù)可知，鍍液中還原劑NaH2PO2濃度變化對化學(xué)沉積速率的影響最大，其次為FeSO4 和氫離子濃度。計(jì)算出反應(yīng)活化熱為4.425 Kcal/mol。由于氫析出等副反應(yīng)的發(fā)生，用電化學(xué)方法確定的鍍層沉積速率大于重量法確定的沉積速率。用電化學(xué)方法和重量法兩種方法確定鍍層在腐蝕介質(zhì)中的腐蝕速率，和