等離子體CVD法制備氮化碳涂層的理論與實驗研究.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)。
　　本文開展了等離子體CVD法制備氮化碳材料的理論與實驗研究，主要內(nèi)容包括計算仿真、機(jī)理分析和實驗驗證三個部分。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；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效率。
　　(2)對等離子體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程的新型“化學(xué)泵”模型；在金剛石過渡層上沉積氮化碳涂層時，基底溫度對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進(jìn)行的假設(shè)模型；當(dāng)?shù)?碳源配比在100：1~10：1時，氮化碳膜才易于成核和生長，并且碳源濃度增長對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渡層和硬質(zhì)合金上開展制備氮化碳實驗，并對實驗結(jié)果與仿真結(jié)論和理論分析進(jìn)行對比研究。對在不同基底溫度下金剛石過渡層沉積的氮化碳涂層進(jìn)行SEM，XRD等測試，研究表明基底溫度對金剛石過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