甲烷浓度对碳化硅基底金刚石薄膜摩擦性能影响

利用热丝化学气相沉积法(HFCVD)在碳化硅基底上制备金刚石薄膜,采用场发射扫描电子显微镜、拉曼光谱仪、原子力显微镜研究了在不同甲烷浓度条件下制备的金刚石薄膜表面形貌及物相组成,在干摩擦条件下通过往复式摩擦磨损实验测试并计算了已制备金刚石薄膜的摩擦系数和磨损率,结合物相分析及摩擦磨损实验结果分析了甲烷浓度的改变对金刚石薄膜摩擦磨损性能的影响。结果表明,由于甲烷气体含量的升高,金刚石薄膜结晶质量下降,薄膜由微米晶向纳米晶转变。摩擦磨损实验结果显示:3%甲烷浓度条件下制备的金刚石薄膜耐磨性较好,磨损率为2.2×10^-7 mm³/mN;5%甲烷浓度条件下制备的金刚石薄膜摩擦系数最低(0.032),磨损率为5.7×10^-7 mm³/mN,制备的金刚石薄膜的耐磨损性能相比于碳化硅基底(磨损率为9.89×10^-5 mm³/mN)提升了两个数量级,显著提高了碳化硅基底的耐磨性。     

温度对金刚石表面变形的影响

利用软压头技术,研究了摩擦条件下温度对Ⅰb型人造金刚石、Ⅰa型和Ⅱa型天然金刚石表面变形的影响.结果表明,这三种金刚石的脆-塑性转变温度的顺序为:Ⅰb＜Ⅰa＜Ⅱa.金刚石的塑性变形抗力随温度升高急剧下降.在1400℃时,三种金刚石的塑性变形抗力趋于一致.     

微/纳米金刚石复合涂层刀具的制备及切削试验

利用化学气相沉积法在硬质合金基体上制备微/纳米金刚石复合涂层,采用扫描电镜、Raman光谱仪、洛氏硬度计、微粒喷浆试验仪对涂层进行微结构与性能表征,同时进行切削试验.结果表明:涂层表面晶粒细小,颗粒尺寸达到纳米级,涂层纯度高,膜/基结合力好,耐磨性高.切削试验结果显示:微/纳米金刚石复合涂层刀具切削加工工件的表面粗糙度比硬质合金刀具小,其表面粗糙度平均值为0.931μm;从后刀面磨损量结果看出微/纳米金刚石复合涂层刀具使用寿命长;从前、后刀面磨损形貌看出金刚石复合涂层结合力好,耐磨性高.     

高性能超细晶粒金刚石涂层刀具制备及试验研究

采用改进的预处理方法和变参数沉积工艺在硬质合金刀片上制备了超细晶粒金刚石薄膜涂层.通过玻璃纤维增强塑料的车削试验,研究了薄膜与基体之间的附着强度、涂层刀具的磨损和加工工件的表面粗糙度.试验结果表明改进的预处理方法能够有效增强金刚石薄膜与基体之间的附着强度;超细晶粒金刚石薄膜减小了刀具与工件之间的摩擦,降低了刀具磨损,并使加工表面的表面粗糙度显著降低;使用改进预处理方法和变参数沉积工艺制备的超细晶粒金刚石涂层刀具的寿命达到未涂层刀具寿命的8倍以上.     

金刚石晶体包裹层对提高金刚石压缩强度的计算

单颗粒压缩强度是衡量人造金刚石机械哟度的重要参数之一。一些高强度的天然或人造金刿石晶体的质量往往内外不一致，内核的压缩强度一向低于表面包裹层。本文分析了人造金刚石晶体低压缩强度的原因，从材料力学角度研究了低强度金刚石晶体表面上生长一层优质金刚石的包裹层对提高其压缩强度的作用，并对金刚石包裹体的微观结构与其单颗粒强度之间的关系进行了讨论。     

碳化硅陶瓷密封材料上沉积复合金刚石薄膜

利用直流辉光等离子体化学气相沉积(DC-GD CVD)设备在碳化硅(SiC)密封材料上沉积复合金刚石薄膜(ICD).实验通过两步工艺,先在SiC上沉积一层微米金刚石薄膜(MCD),然后再沉积一层纳米金刚石薄膜(NCD)形成复合金刚石薄膜(ICD).通过场发射扫面电镜和拉曼测试,研究了MCD、NCD和ICD薄膜的表面形貌和材料结构.各种金刚石薄膜利用轮廓仪、划痕测试和摩擦磨损测试其力学性能.结果显示ICD薄膜既有较强的结合力,其摩擦系数也较低.ICD薄膜涂层的SiC密封环的摩擦系数为0.08 ～0.1.     

不同结构金刚石涂层刀具的制备及性能参数优化

利用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition)法,选取最佳工艺参数,在硬质合金刀具上制备微米、纳米及微/纳米金刚石复合涂层,采用SEM、Raman光谱、XRD测试分析涂层的表面形貌和化学纯度.结果显示,微米金刚石涂层结晶质量好,晶面取向以(111)(220)为主且金刚石纯度很高,纳米金刚石涂层表面光滑无明显择优取向,微/纳米复合涂层聚具有两种涂层的优点.采用压痕法、划痕法、微粒冲浆喷蚀(MSE)法对涂层的膜/基结合力及耐磨性进行测定.结果显示微米金刚石涂层的膜/基结合力最好,纳米金刚石涂层的最差.微/纳米金刚石复合涂层的耐磨性最好,纳米金刚石涂层的耐磨性最差.     

天然金刚石的振动光谱研究

分析对比了某些天然金刚石的Ｒａｍａｎ与红外光谱特征，并结合顺磁共振谱（ＥＰＲ）数据，认为金刚石红外光谱中１１００￣１５００ｃｍ＾－１之间的所谓氮带区与氮杂质无直接关系，该谱区的吸收可能与金刚石中的结构水有关。     

不同碳源浓度金刚石涂层刀具切削石材的性能研究

采用不同碳源浓度金刚石涂层刀具与未涂层刀具铣削石材,研究切削参数对切削力及加工表面质量的影响,分析刀具磨损机理,找到金刚石刀具最佳切削参数,进而实现切削优化.采用正交实验法,通过测力仪测量出不同刀具、不同切削参数下的切削力,测试已加工材料的表面粗糙度,观测刀具磨损情况.结果表明,对铣削分力Fx、Fz影响最大的是涂层碳源浓度;对铣削分力Fy影响最大的是切削深度;对表面粗糙度影响最大的是进给速度;当主轴转速达到n=3000 r/min、进给速度为vf=300 mm/min、切削深度d=1.0 mm、涂层碳源浓度为3;时,刀具切削性能最佳;3;涂层碳源浓度金刚石刀具较其他碳源浓度(含未涂层)刀具,加工后的石材表面粗糙度最低、切削力最小、耐磨性高,提高了加工精度,延长刀具的使用寿命.     

单晶金刚石磨粒机械磨损声发射关联维特征研究

单晶金刚石磨粒的机械磨损是其磨粒加工过程中磨损的主要形式之一.利用单颗单晶金刚石磨粒划擦Ta12W,跟踪检测了磨粒划擦过程中磨损体积、磨损率和磨损形貌等机械磨损的变化特征,并监测分析了其机械磨损声发射信号特征参数和时域信号特征.利用G-P算法对金刚石磨粒机械磨损声发射信号进行相空间重构,利用自相关函数法确定了相空间的时间延迟,计算出相空间的双对数图,从而得到金刚石磨粒不同磨损阶段的关联维数.研究结果表明:单晶金刚石磨粒划擦Ta12 W的机械磨损声发射信号具有混沌变化特性,随着嵌入维数的增加,其关联维数的变化趋于平稳,关联维数变化幅值与其磨损率基本呈正效应关系.通过基于G-P算法计算分析磨粒划擦过程中声发射关联维特征,进一步揭示单晶金刚石磨粒机械磨损特性.     

金刚石合成用触媒的应用及展望

金刚石是集多种极限性能于一身并可在各种严苛环境下工作的理想材料.触媒材料能降低金刚石高温高压合成条件并使金刚石合成得以工业化.触媒对金刚石的科学研究和工业技术的提高是十分重要的.本文介绍了触媒材料的发现历程及触媒在金刚石合成中的作用机理;从触媒所包含的金属触媒和非金属触媒两大类分别综述了各种触媒的研究现状.在研究上述各触媒在金刚石合成中的合成条件及合成效果的基础上对这两类触媒的使用特点进行了总结.由此指出金属触媒中的合金触媒最适合应用在工业生产上,非金属触媒有利于模拟天然金刚石的成因,具有潜在的研究价值.最后本文对今后触媒的发展方向进行了展望.     

天然和培育金刚石品质表征与呈色分析

金刚石是集最高硬度、超宽禁带、最高热导率等优异性能于一体的典型超硬多功能材料,天然金刚石储量低且价格昂贵,其中彩色天然金刚石在自然界中产储量极其稀少且致色机制较为复杂。高温高压法是制备金刚石的有效手段,然而调控金刚石颜色获得可控的彩色金刚石,仍面临极大挑战。本文通过对粉色、绿色天然和高温高压温度梯度法制备的金刚石进行一系列拉曼、荧光、红外和可见光吸收测试,详细地研究其品质、缺陷随温度变化及致色原因,发现彩色金刚石致色与电中性的N₂V缺陷(H₃)、剪切应力、塑性形变和NV⁰/NV^-色心等因素相关。通过各种手段获得不同颜色的金刚石不仅是为了其欣赏及收藏价值,其颜色的调控也有助于人们对金刚石形成机制的进一步了解,为培育彩色金刚石提供新的参考。     

金刚石膜超高速抛光温度场的有限元模拟

金刚石膜超高速抛光是一种新的抛光方法,抛光区域温度场分布直接影响金刚石膜的抛光质量.本文采用三维热-力耦合有限元法分析了抛光盘超高速旋转时,不同直径的金刚石厚膜与抛光盘之间由于摩擦生热形成的温度场.结果表明:随着金刚石膜直径的增大,其内、外边缘温度差明显增大.只有当金刚石膜与抛光盘作同向相对运动时,金刚石膜的内、外边缘温度才趋于均匀.文中得出的结论可以为金刚石膜超高速抛光机的设计和实际操作提供可靠的理论依据.     

单晶金刚石刀具切削各向同性热解石墨的磨损机理

为了研究各向同性热解石墨切削过程中单晶金刚石刀具磨损及其对加工质量的影响,对各向同性热解石墨材料进行了切削试验.观测了刀具磨损形貌的演变过程,分析了刀具磨损机理以及刀具磨损对加工表面质量的影响.研究结果表明,在切削距离逐渐增加的情况下,单晶金刚石刀具后刀面磨损区域逐渐增大,磨损形貌分为平行沟槽和微细网状两种.切削过程中产生的颗粒状切屑和交变应力分别是导致磨粒磨损和解理磨损的主要原因.切削距离300 m内,试件加工表面粗糙度值Ra在0.2～0.4 μm之间波动,切削距离达到l000 m以后,试件加工表面粗糙度值明显增大,但是保持了相对稳定,表面粗糙度值Ra约为0.8μm.     

铁基结合剂金刚石节块性能的优化

以性能较好的铁基结合剂为基体,加入表面未镀、镀Ni和纳米Al2O3/Ni复合镀层的金刚石,用热压烧结的方法得到铁基结合剂金刚石节块,测量了金刚石铁基结合剂节块的抗弯强度和耐磨性,采用SEM和EDS对复合镀层和金刚石表面的形貌和组分进行了表征.结果表明:在金刚石表面镀覆纳米Al2O3/Ni层后,复合镀层均匀致密,晶粒细小;在热压烧结中,复合镀层能阻止金刚石的石墨化,使金刚石和基体之间有强的化学结合,所以金刚石和铁基结合剂之间的界面结合紧密,结合剂对金刚石的把持力提高,节块的抗弯强度从468.9 MPa增加到563.8 MPa,磨耗比从349升高到700.     

金刚石工具胎体性能的弱化问题研究

本文研究了金刚石工具胎体材料的性能"弱化"问题.提出了"弱化"胎体材料的某些性能,对于提高工具切割使用性能是一种有效方法."弱化"的效果和"弱化"的程度可以分别用切割指数Z和耐磨性失重Δm来表怔.建立了切割指数Z与胎体耐磨性失重Δm之间的关系,将"弱化"的设计思想具体化和实用化.     

RbTiOAsO4晶体中的生长缺陷和生长机制

采用溶盐法生长了大尺寸ＲｂｉＯＡｓＯ４晶体。利用同步辐射形貌术和化学腐蚀法，研究了ＲｂＴｉＯＡｓＯ４晶体中的生长缺陷。发现该晶体中的生长缺陷主要生长位错和生长扇界。大部分位钷沿「１００」方向，Ｂｕｒｇｅｒｓ适量为「００１」。在扫描电镜下，对原生ＲｂＴｉＯＡｓＯ４晶体的表面形态进行了观察，根据其表面二次电子像的特征，对不同晶面的生长控制机制进行了讨论。     

CVD人造金刚石核辐射探测器研究进展

金刚石探测器具有体积小、抗辐照能力强、时间响应快等优点,在核辐射领域应用优势显著。早期金刚石核辐射探测器均采用天然金刚石材料,化学气相沉积(chemical vapor deposition, CVD)金刚石人工合成技术的进步,极大地促进了金刚石核辐射探测器的发展与应用。本文从CVD人造金刚石材料入手,分析了制约金刚石探测器性能的杂质与缺陷、CVD金刚石的合成工艺、探测器级金刚石中杂质与缺陷的表征方法,并基于载流子迁移率与寿命乘积、探测器的电荷收集效率等性能指标,总结了CVD金刚石中的杂质与缺陷对探测器性能的影响规律,介绍了国外金刚石核辐射探测器的应用现状并展望了国内金刚石核辐射探测器的发展前景。     

人工合成金刚石表面三角锥缺陷的存在机理研究

天然金刚石主要生长面为{111},在其表面经常会存在大量凹陷的金字塔状或者底面平整的三角锥蚀坑缺陷,这种缺陷很少出现在人工合成金刚石单晶的表面.本研究在高温高压5.4 GPa、1550 K的条件下,以FeNi合金作为触媒,FeS为添加剂,利用温度梯度法(TGM)直接合成金刚石单晶的{111}表面同样发现有大量凹陷的金字塔状或者底面平整的三角锥蚀坑缺陷.而在体系中加入微量单质B时,高温高压直接合成金刚石单晶的{111}表面不仅存在大量金字塔状的三角锥蚀坑,还出现了天然金刚石表面不曾发现的大量规则的三角凸起平台和凸起的金字塔状或者顶面平整的三角锥缺陷.由此推断,尽管天然金刚石{111}表面经常出现的三角锥缺陷可能是在自然环境中后期腐蚀出现的,而在FeNi-C-FeS体系高温高压直接合成的金刚石单晶{111}表面出现的三角锥缺陷却是在晶体生长过程中直接形成的,FeS在这种表面缺陷的形成过程中起着不可或缺的作用.     

金刚石织构体及其纳米级亚晶

在冲击合成的金刚石中存在一种织构体组织.织构是由沿[110]cd和[12-10]hd方向排列的金刚石纳米级亚晶组成的.除常见的立方金刚石结构外,还存在一种罕见的六方金刚石结构.它们通常共存在一个金刚石织构体中,形成共生晶体.