Si3N4工程陶瓷基底金刚石涂层生长规律及性能

为了避免氮化硅材料因产生裂纹或延伸破裂等造成的失效,利用热丝化学气相沉积法(Hot filament chemical vapor deposition,HFCVD)在氮化硅基底上沉积具有高硬度的金刚石涂层,采用单因素影响试验,分别探究碳源浓度、腔室压力、基底温度对金刚石成膜过程的影响机制,探究微米和纳米金刚石涂层的最优生长工艺参数。利用拉曼光谱仪(Raman)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)对不同参数制备出的金刚石的形核、表面形貌、薄膜质量、表面粗糙度等进行表征,利用洛氏硬度计分析膜基结合力。结果表明,腔室压力越大,活性物质到达基底的动能越小,不利于金刚石的成核和生长。生长速率和表面粗糙度主要受甲烷浓度的影响:甲烷浓度从1%到7%,生长速率从0.84μm/h上升到1.32μm/h;表面粗糙度Ra从53.4 nm降低到23.5 nm;甲烷浓度过高导致涂层脱落严重,膜基结合力变差;晶面形貌和金刚石含量受到基底温度的影响较为明显,随着温度升高,金刚石质量提高。综合基底温度、腔室压力对金刚石涂层的影响,确定最佳生长温度为900℃,气压为1 kPa。调节甲烷浓度1%为微米金刚石;甲烷浓度5%为纳米金刚石。研究方法可以优化在陶瓷基底上制备具有优异性能的金刚石薄膜的制备参数。

Si_(3)N_(4)基底表面粗糙度对HFCVD法制备金刚石薄膜摩擦学性能的影响

采用热丝化学气相沉积法(hot filament chemical vapour deposition,HFCVD)在不同表面粗糙度的Si3N4基底表面制备金刚石薄膜,并对薄膜的特性进行检测与分析。利用场发射电子扫描显微镜、原子力显微镜检测植晶后的Si3N4基底表面以及制备的金刚石薄膜表面形貌;利用多功能摩擦磨损实验机、探针式轮廓仪,在干摩擦条件下,测试金刚石薄膜的摩擦系数及磨损率。综合基底粗糙度对植晶质量的影响、金刚石薄膜表面形貌与摩擦磨损检测实验结果,确定了Si3N4基底表面粗糙度对金刚石薄膜耐磨性的影响。结果表明:基底表面粗糙度会影响植晶的均匀性及致密性,进而影响金刚石颗粒在基底表面的生长,同时基底的表面形貌也会复映在金刚石薄膜表面。表面粗糙度为0.15μm和0.20μm的基底所制备的金刚石薄膜拥有较好的耐磨性,可得到最低的磨损率1.75×10^(−7)mm^(3)/(m·N)和最低的摩擦系数0.078。