СТРУКТУРНОЕ СОСТОЯНИЕ АЛМАЗОПОДОБНЫХ ПЛЕНОК
|
Глава 1. Литературный обзор по пролематике структур углеродных алмазоподобных пленок 6
1.1 Электронная структура углерода 6
1.2 Подложки углеродных алмазоподобных пленок 9
1.3 Специфика структуры углеродных алмазоподобных пленок 21
Глава 2. Экспериментальные методики 29
2.1 Объекты исследования 29
2.2 Описание методики эксперимента 31
Глава 3. Результаты экспериментов по исследованию структурных состояний углеродных алмазоподобных пленок 36
3.1 Полученные алмазоподобные углеродные плёнки: особенности структуры
и свойств 36
3.2 Анализ поверхности полученных алмазоподобных углеродных плёнок. 39
Заключение 43
1.1 Электронная структура углерода 6
1.2 Подложки углеродных алмазоподобных пленок 9
1.3 Специфика структуры углеродных алмазоподобных пленок 21
Глава 2. Экспериментальные методики 29
2.1 Объекты исследования 29
2.2 Описание методики эксперимента 31
Глава 3. Результаты экспериментов по исследованию структурных состояний углеродных алмазоподобных пленок 36
3.1 Полученные алмазоподобные углеродные плёнки: особенности структуры
и свойств 36
3.2 Анализ поверхности полученных алмазоподобных углеродных плёнок. 39
Заключение 43
Актуальность работы. Непрерывный прогресс практически во всех областях техники вызывает резкое увеличение рабочих параметров многих механических и биомедицинских систем, которые включают в себя более высокие скорости обработки, повышенную нагрузку и работу в различных средах. Поэтому изучение свойств трения и износа имеет огромное практическое значение при разработке и оптимизации медицинских имплантатов, а также различных компонентов двигателя и механизмов.
Создание изделий с высоким ресурсом работы сопряжено с серьёзными проблемами. Производство новых материалов, например, сплавов, композитов считается довольно дорогим и сложным направлением исследований. В настоящее время наиболее используемым способом увеличения срока службы различных деталей механизмов является модификация их поверхности, которая может осуществляться различными способами [1]. Одним из способов, активно развивающимся в направлении модификации поверхности является применение различных методов осаждения тонкоплёночных покрытий. Большая часть этих методов является достаточно хорошо изученной, а спектр, получаемых с их помощью плёнок, крайне многообразен. При этом срок службы деталей, модифицированных такими методами, может существенно увеличиваться.
Одним из самых популярных материалов, который используется в качестве износостойкого тонкоплёночного покрытия является углерод [2]. Покрытия на его основе имеют неповторимые свойства, характеризующиеся низким коэффициентом трения, высокой химической стойкостью и износостойкостью рабочих поверхностей механизмов [3]. К тому же углеродные покрытия имеют отличные электроизоляционные свойства, высокую твёрдость и износостойкость[3], био- и хемосовместимы[4,5]. Из-за многообразия свойств покрытий на основе углерода, в частности, из-за износостойких качеств, существует огромное разнообразие методов его 3
осаждения. Одним из наиболее популярных методов является метод вакуумно-дугового испарения графитовых мишеней.
Углеродные пленки могут быть получены в виде пленок графита, либо в виде пленок алмаза. Пленки графита могут быть получены путем диспергирования графитовых мишеней и оседания конгломиратов на поверхности подложки. Обычно этот эффект осуществляется при лазерной абляции мишени. При конденсации углерода из парогазовой фазы, формируются алмазоподобные структуры. Такие структуры имеют разное название, аморфный углерод, алмазоподобная пленка и т.д..
Эти пленки обладают высокой прочностью и износостойкостью, что определяет одно из применений их в качестве покрытий на деталях ответственной техники. Второе использование связано с высокой теплопроводностью алмазной фазы углерода. Теплопроводность алмаза на порядок превосходит теплопроводность металла. В этой связи, алмазные пленки имеют перспективы использования в качестве теплоотводящих покрытий в современной микроэлектронике. Проблема алмазных пленок в настоящее время связана со сложностью их получения. Лазерный метод испарения углерода для получения алмазных пленок из парогазовой фазы позволяет существенно увеличить их производительность.
Цель дипломной работы - исследование структурных состояний углеродных алмазоподобных пленок.
Задачи дипломной работы:
- исследовать электронную структуру углерода;
- изучить подложки углеродных алмазоподобных пленок;
- рассмотреть специфику структуры углеродных алмазоподобных пленок;
- исследовать полученные алмазоподобные углеродные плёнки;
- провести анализ поверхности полученных алмазоподобных углеродных плёнок.
Объект дипломной работы - алмазоподобные углеродные плёнки.
Предмет дипломной работы - особенности структурных состояний углеродных алмазоподобных пленок.
Дипломная работа состоит из введения, трех глав, заключения.
Создание изделий с высоким ресурсом работы сопряжено с серьёзными проблемами. Производство новых материалов, например, сплавов, композитов считается довольно дорогим и сложным направлением исследований. В настоящее время наиболее используемым способом увеличения срока службы различных деталей механизмов является модификация их поверхности, которая может осуществляться различными способами [1]. Одним из способов, активно развивающимся в направлении модификации поверхности является применение различных методов осаждения тонкоплёночных покрытий. Большая часть этих методов является достаточно хорошо изученной, а спектр, получаемых с их помощью плёнок, крайне многообразен. При этом срок службы деталей, модифицированных такими методами, может существенно увеличиваться.
Одним из самых популярных материалов, который используется в качестве износостойкого тонкоплёночного покрытия является углерод [2]. Покрытия на его основе имеют неповторимые свойства, характеризующиеся низким коэффициентом трения, высокой химической стойкостью и износостойкостью рабочих поверхностей механизмов [3]. К тому же углеродные покрытия имеют отличные электроизоляционные свойства, высокую твёрдость и износостойкость[3], био- и хемосовместимы[4,5]. Из-за многообразия свойств покрытий на основе углерода, в частности, из-за износостойких качеств, существует огромное разнообразие методов его 3
осаждения. Одним из наиболее популярных методов является метод вакуумно-дугового испарения графитовых мишеней.
Углеродные пленки могут быть получены в виде пленок графита, либо в виде пленок алмаза. Пленки графита могут быть получены путем диспергирования графитовых мишеней и оседания конгломиратов на поверхности подложки. Обычно этот эффект осуществляется при лазерной абляции мишени. При конденсации углерода из парогазовой фазы, формируются алмазоподобные структуры. Такие структуры имеют разное название, аморфный углерод, алмазоподобная пленка и т.д..
Эти пленки обладают высокой прочностью и износостойкостью, что определяет одно из применений их в качестве покрытий на деталях ответственной техники. Второе использование связано с высокой теплопроводностью алмазной фазы углерода. Теплопроводность алмаза на порядок превосходит теплопроводность металла. В этой связи, алмазные пленки имеют перспективы использования в качестве теплоотводящих покрытий в современной микроэлектронике. Проблема алмазных пленок в настоящее время связана со сложностью их получения. Лазерный метод испарения углерода для получения алмазных пленок из парогазовой фазы позволяет существенно увеличить их производительность.
Цель дипломной работы - исследование структурных состояний углеродных алмазоподобных пленок.
Задачи дипломной работы:
- исследовать электронную структуру углерода;
- изучить подложки углеродных алмазоподобных пленок;
- рассмотреть специфику структуры углеродных алмазоподобных пленок;
- исследовать полученные алмазоподобные углеродные плёнки;
- провести анализ поверхности полученных алмазоподобных углеродных плёнок.
Объект дипломной работы - алмазоподобные углеродные плёнки.
Предмет дипломной работы - особенности структурных состояний углеродных алмазоподобных пленок.
Дипломная работа состоит из введения, трех глав, заключения.
Структуру алмазоподобных покрытий составляют алмазоподобные и графитоподобные связи, что значительно повышает потенциал износа изделий с подобным напылением. Такие аморфные углеродные покрытия, обладающие твёрдостью алмаза и коэффициентом трения графита можно наносить в широкой области температур и на различные материалы.
Существует в различных формах. DLC покрытия могут быть аморфными и иметь sp3 гибридизацию (алмазоподобную). Включения, такие, как водород, sp2 углерод, необходимы чтобы уменьшить экономические затраты или придать желаемые свойства. Применение DLC увеличивает абразивную износостойкость материала. Износ, трение и электрические свойства делают DLC покрытия привлекательным материалом для применения в медицине. Такие покрытия являются биологически инертными, не вызывают ни токсичных, ни воспалительных реакций. Предполагается хорошая биологическая совместимость DLC покрытий с белками плазмы крови и живыми клетками организма человека.
Покрытия аморфными углерода с содержанием связанного водорода называют гидрогенизированными плёнками (a-C:H). Твёрдость покрытий составляет величины от 10 до 30 ГПа. В зависимости от метода осаждения энергетический зазор плёнок1 составляет от 0,5 до 3,0 эВ, а показатель преломления может варьироваться от 1,5 до1 2,5. Сфера применения достаточно велика - в качестве противоизносных и противоотражающих защитных оптических покрытий, в высокотемпературной электронике, в солнечной энергетике.
Самым твёрдым является тетраэдрический аморфный углерод (ta-C). Твёрдость лежит в пределах значений от 50 до 100 ГПа. Например, покрытие ta-C толщиной всего 2 мкм увеличивает сопротивление обычной
нержавеющей стали от абразивного износа, изменяя срок её службы в таком режиме работы от одной недели до 85 лет. Такой ta-C можно рассматривать 43
как «чистую» форму DLC, поскольку он состоит только из атомов углерода, связанных с sp3. Этот тип материала соответствует плотному аморфному материал у, состоящему из неупорядоченных sp3-связей, связании сильными связями, аналогичными тем, которые существ неупорядоченном алмазе с предположительно подобной твёрдостью алмаза.
Плёнки с высокой долей атомов sp3 - гибридизированного углерода (около 70 %) и содержанием водорода ~ 30 % называют плёнками аморфного гидрогенизированного тетраэдрального углерода (ta-C:H). Такой материал обладает высокими значениями твёрдости (30-50 ГПа) [7] и модуля Юнга.
Используются в качестве защитных инертных покрытий от коррозии металлов и химического воздействия агрессивной среды, в качестве прочных, термостойких изолирующих покрытий в электронике и качестве твёрдых износостойких покрытий.
Исследован способ получения тонких алмазных пленок на подложке методом вакуумного лазерного воздействия на мишени и конденсацией углерода на подложки, отличающийся тем, что в качестве мишений используются предварительно спрессованные таблетки детонационного наноалмаза и таблетки из высокочистого графита, а лазерное воздействие осуществляется в два этапа: вначале сфокусированным лазерным излучением лазера на основе алюмо-иттриевого граната с длиной волны 1064 нм серией 10-20 импульсов лазера с энергией импульса не ниже 3,8115 Дж диспергируется мишень из детонационного наноалмаза и формируется на подложке наноалмазные нуклеационные центры; затем промежутки между нуклеационными центрами заполняются углеродом с преимущественно sp3- связями, сконденсированным из парогазовой фазы, полученной испарением мишени из высокочистого графита путем воздействия расфокусированным лазерным излучением этого же лазера с интенсивностью энергии импульса не ниже 1,6*104 Вт/см.
Сформированная алмазная пленка представляет собой совокупность алмазных зерен (островков), преимущественно кристаллографически 44
одинаково ориентированных относительно подложки, плотноупакованные в плоские поликристаллические гексагональные тонкопленочные структуры.
Существует в различных формах. DLC покрытия могут быть аморфными и иметь sp3 гибридизацию (алмазоподобную). Включения, такие, как водород, sp2 углерод, необходимы чтобы уменьшить экономические затраты или придать желаемые свойства. Применение DLC увеличивает абразивную износостойкость материала. Износ, трение и электрические свойства делают DLC покрытия привлекательным материалом для применения в медицине. Такие покрытия являются биологически инертными, не вызывают ни токсичных, ни воспалительных реакций. Предполагается хорошая биологическая совместимость DLC покрытий с белками плазмы крови и живыми клетками организма человека.
Покрытия аморфными углерода с содержанием связанного водорода называют гидрогенизированными плёнками (a-C:H). Твёрдость покрытий составляет величины от 10 до 30 ГПа. В зависимости от метода осаждения энергетический зазор плёнок1 составляет от 0,5 до 3,0 эВ, а показатель преломления может варьироваться от 1,5 до1 2,5. Сфера применения достаточно велика - в качестве противоизносных и противоотражающих защитных оптических покрытий, в высокотемпературной электронике, в солнечной энергетике.
Самым твёрдым является тетраэдрический аморфный углерод (ta-C). Твёрдость лежит в пределах значений от 50 до 100 ГПа. Например, покрытие ta-C толщиной всего 2 мкм увеличивает сопротивление обычной
нержавеющей стали от абразивного износа, изменяя срок её службы в таком режиме работы от одной недели до 85 лет. Такой ta-C можно рассматривать 43
как «чистую» форму DLC, поскольку он состоит только из атомов углерода, связанных с sp3. Этот тип материала соответствует плотному аморфному материал у, состоящему из неупорядоченных sp3-связей, связании сильными связями, аналогичными тем, которые существ неупорядоченном алмазе с предположительно подобной твёрдостью алмаза.
Плёнки с высокой долей атомов sp3 - гибридизированного углерода (около 70 %) и содержанием водорода ~ 30 % называют плёнками аморфного гидрогенизированного тетраэдрального углерода (ta-C:H). Такой материал обладает высокими значениями твёрдости (30-50 ГПа) [7] и модуля Юнга.
Используются в качестве защитных инертных покрытий от коррозии металлов и химического воздействия агрессивной среды, в качестве прочных, термостойких изолирующих покрытий в электронике и качестве твёрдых износостойких покрытий.
Исследован способ получения тонких алмазных пленок на подложке методом вакуумного лазерного воздействия на мишени и конденсацией углерода на подложки, отличающийся тем, что в качестве мишений используются предварительно спрессованные таблетки детонационного наноалмаза и таблетки из высокочистого графита, а лазерное воздействие осуществляется в два этапа: вначале сфокусированным лазерным излучением лазера на основе алюмо-иттриевого граната с длиной волны 1064 нм серией 10-20 импульсов лазера с энергией импульса не ниже 3,8115 Дж диспергируется мишень из детонационного наноалмаза и формируется на подложке наноалмазные нуклеационные центры; затем промежутки между нуклеационными центрами заполняются углеродом с преимущественно sp3- связями, сконденсированным из парогазовой фазы, полученной испарением мишени из высокочистого графита путем воздействия расфокусированным лазерным излучением этого же лазера с интенсивностью энергии импульса не ниже 1,6*104 Вт/см.
Сформированная алмазная пленка представляет собой совокупность алмазных зерен (островков), преимущественно кристаллографически 44
одинаково ориентированных относительно подложки, плотноупакованные в плоские поликристаллические гексагональные тонкопленочные структуры.
Подобные работы
- ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ АЛМАЗОПОДОБНЫХ
И КОМПОЗИЦИОННЫХ ПЛЕНОК, ПОЛУЧЕННЫХ ЛАЗЕРНЫМ
МЕТОДОМ
Магистерская диссертация, физика. Язык работы: Русский. Цена: 5600 р. Год сдачи: 2019 - МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МИКРОТВЕРДОСТИ УГЛЕРОДНЫХ
ПОКРЫТИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ ИМПУЛЬСНЫМ ВАКУУМНО-
ДУГОВЫМ МЕТОДОМ
Дипломные работы, ВКР, материаловедение . Язык работы: Русский. Цена: 4770 р. Год сдачи: 2018 - Квантово-механический расчет устойчивости наночастиц ZnSiAs2, легированных марганцем, с различной морфологией
Дипломные работы, ВКР, химия. Язык работы: Русский. Цена: 4300 р. Год сдачи: 2020