接触力学与低摩擦耦合的纳米金刚石力学行为研究-毕业设计论文 ㊣ 精品文档 值得下载

理解。

另外陈老师也教会了我很多做人的道理，陈老师常说，遇到困难不要怕，尽管去做，遇山开山，遇水搭桥，只要肯努力肯花时间就没有做不到的事。

在此再次感谢陈老师的鼓励和谆谆教诲。

其次我要感谢范骏驰同学，艾俊师兄。

范骏驰同学是我同组的成员，虽然论文题目有所不同，但些理论还是通用的，遇到困难我会和范同学起讨论，并且很多情况下都能得到有效的解决，碰到解决不了的问题会起咨询陈老师。

艾俊师兄对这个项目已经研究了近年，因此也有很多心得，实验过程中，碰到不懂的问题我会直接问他，艾俊学长每次都会很热情的给我解释，并且带着我完成实验。

本次实验采用上下面为的氮化硅陶瓷。

首先根据实验要求取若干个氮化硅陶瓷片个，对氮化硅基底进行机械研磨，每个研磨时间大约在分钟。

在研磨的过程中加入金刚石微粉。

将沾有金刚石微粉的陶瓷片放入去离子水中，然后进行超声波处理。

超声波的作用方面是清洗，方面对氮化硅基底进行表面轰击，使金刚石吸附到基底表面，有利于形核。

清洗后进行表面风干处理。

热丝的制作和安装。

由于钽具有良好的物理性质和化学性质，本实验选用长为的钽丝平行排列，距离大约为，距离反应装置底座距离大约为。

薄膜沉积。

将基底放入实验设备中第步，先将氢气碳源流量分别调到，让钽丝碳化分钟后，功率也上到。

第二步，缓缓通入氩气，不要下就到从间隔两分钟往上调次，缓慢降低氢气碳源流量，氢气从最后稳定在，碳源从，最后稳定到。

这段时间，偏压电流会上升很快，从到，最后偏压会自动跳掉，此时不能急于再打开正偏压开关，大约十分钟后，偏压电压从降到左右时，再重新打开正偏压开关。

第三步，形核开始五分钟以后可以慢慢调小反应腔体内压力，速度不能太快，否则容易断丝，大约三分钟调到即可。

形核时注意观察偏压电流，会有波动，始终维持在左右就可。

第四步，形核结束后，功率上升，这段时间不要调整，等功率达到生长功率，再调反应图安装钽丝图放置氮化硅基底腔压力碳源氢气氩气数分别为根据需要自己调节流量取样。

上述步骤结束后，关闭实验仪器，等反应器内温度降低后，取出样品，放入样品袋，等待检测和分析。

在进行热丝化学气相沉积处理之前，应先对氮化硅表面进行预处理。

来提高初期的成核密度。

首先对氮化硅陶瓷进行机械研磨，然后将研磨好的基底进行超声波抛光，获得适当的表面粗糙度，从而得到较高的初期金刚石成核密度。

将已处理好的氮化硅基底放入实验仪器中，开始制备纳米金刚石膜。

纳米金刚石薄膜的表征扫描电子显微镜扫描电子显微镜的简称为扫描电镜，英文缩写为。

与电子探针的功能和结构基本相同，但般不带波谱仪。

它是用细聚焦的电子束轰击样品表面，通过电子与样品相互作用产生的二次电子背散射电子等对样品表面或断口形貌进行观察和分析。

现在都与能谱组合，可以进行成分分析。

所以，也是显微结构分析的主要仪器，已广泛用于材料冶金矿物生物学等领域。

利用细聚焦电子束在样品表面扫描时激发出来的各种物理信号调制成像。

类似电视摄影显像的方式。

图扫描电镜下的金刚石薄膜低倍图扫描电镜下的金刚石薄膜高倍主要结构包括电子光学系统偏转系统信号检测放大系统电子计算机扫描显示系统真空系统。

具备放大倍率高，分辨率高，景深大，保真度好，样品制备简单等优点。

如图和分别为扫描电镜下金刚石薄膜的照片，通过图片可以看出，氮化硅基底表面已经长成了层致密的金刚石涂层。

第四章相关接触力学原理及压痕实验相关固体接触力学原理在工程实际中，两种不同的材料之间会形成界面。

从宏观上看，固体与固体接触仅仅存在力的关系，但在工程实际中，两个物体表面接触使，会发生变形产生额外应力。

两种材料所形成的边界面被称为界面，界面可以看做张绷紧的弹性薄膜，其中存在收缩张力。

界面是多重多样的，它可以是光滑的也可以是粗糙的。

在形成过程中，如果不需要考虑形变，则被称为界面，否则被称为塑性截面。

此外，许多固体界面存在截止，如机械零件中的润滑油，空气中防止已久的金属表面的氧化膜，为防腐蚀喷涂漆或镀惰性金属。

物体的表现表面形状是多重多样的，所以，不同的表面间的接触的力学性能是不同的，我们可以根据两接触的固体形状，对接触类型，般分为同形接触和异形接触。

根据接触类型的不同，我们可以用不同的方法进行力学分析。

针对不同的接触类型转化成不同的当量圆，结合公式加以计算。

当界面形成时，两接触物体的变形是不可避免的，需要根据实际情况决定是否需要计算应变。

通常情况下，如果发生的形变过大或者对界面的力学性能产生影响，固体的应变是需要进行分析的。

通常表面所受的载荷来自外部，所以界面上的载荷可以看作为整个物体的内部载荷。

所以，般情况下，接触的两个表面受力的方向相反，大小相等。

表面上所受载荷要通过定的分析得到，般是将载荷分为切向载荷和发现载荷，随后计算出总载荷。

界面间切向力的产生源于物体间的摩擦力，如果接触表面上不存在摩擦力实际工程中不会出现，那么表面上将没有切向载荷。

摩擦分为滑动摩擦和滚动摩擦，而这两种摩擦方式的界面都会存在摩擦，产生切向载荷。

根据摩擦系数计算摩擦力是计算摩擦力的种常用方法，而在界面力学中，最终的切向载荷由外载来计算最为准确。

另外，两接触固体间无论是否存在相对运动，都可能存在摩擦力。

当物体静止接触使，物体间可能存在静摩擦力，般情况下，物体所受的静摩擦力方向与其运动的趋势相反。

弹性接触理论在工程实际中，常遇到两曲面物体相互接触，传递力的情况，如齿轮，轴承等。

这种接触在加载前都是点接触或线接触两个物体相接触时，接触区域如果是个点被称为点接触，如果是条线，被称为线接触。

加载之后，在外在载荷的作用下，材料将发生弹性形变，点接触或者线接触都将变为面接触。

在机械工程中，常常需要考虑加载后接触面的压力分布和接触区域的应力分布。

世纪年代，首先推导出了接触问题的计算公式。

赫兹弹性接触理论的应用有三个基本原理变形方程点接触物体受力后其接触表面为椭圆而线接触物体受力后其接触表面为矩形。

两接触物体的变形符合变形连续条件。

物理方程由于材料处于弹性阶段且服从虎克定律，因此接触表面上应力的变化规律与接触体的应变成线性关系，在应变最大的接触表面中心压应力最大，假设接触表面的压应力分布为半椭圆体。

静力平衡方程根据接触表面压应力分布规律求得表面接触压力所组成的合力应等于外加载荷。

将上述三方面的方程表达式联合求解，即可求得各种接触问题的公式。

胡克定律ε，其中，弹性模量为，对于种材料在定温度下它是个数。

设两圆球体的半径分别为。

开始时在公切平面上的点相互接触，如图所示。

在两球的子午面截线上，与和相距距离处的两点和的坐标可以近似地表达为图参数间关系，当很小时，上式成立当两球体受到力的作用而沿着点的法向相互压紧时，在接触处发生局部变形，而形成个小的圆形接触面斑，其接触区半径及变形均远远小于两球半径。

因此和两点的距离为弹性变形量的计算。

设表示球体面上的点由于局部变形所产生的沿轴方向的位移，表示球面上的点由于局部变形所产生的沿轴方向的位移，两球的中心彼此接近的距离为由于对称性，由接触产生的压力和位移对于接触中心都是轴对称的。

从图中可得，取圆为接触面，其中点是接触面上球体的点，将球体近似地作为弹性半空间，则可得通过观察上表可以看出，随着表面粗糙度的增加，压痕深度整体趋势上升，压力越大，压痕深度也越大。

纳米金刚石薄膜具有纳米材料和金刚石材料的双重优异性能。

在金刚石涂层工件遭受冲击时，由于涂层具有极高的硬度，因此可以保护基底材料，而且可以使得工件的抗冲击性能得到极大的改善。

由于实验条件的不同，基底表面形成的金刚石薄膜的厚度，颗粒大小以及颗粒的致密程度是不同的，使得涂层工件表现出的性能是不同的。

表面金刚石颗粒分布不够致密的样本件的抗压能力明显不如成长完好的样品件。

为了提高涂层工件的抗冲击性能，在涂层制作过程中，应尽量使得金刚石颗粒更加密集，得到表面粗糙度更小的工件。

观察压痕实验力与位移关系示意图，位移开始变化的点，到终点的距离，即为压痕深度。

压痕实验力与位移关如下图所示图压痕实验力与位移关系图组结果表征与分析为了更好的研究金刚石薄膜的力学性能，对粗糙度与压痕深度间的关系进行分析。

图组表面粗糙度与压痕深度关系图压力图组表面粗糙度与压痕深度关系图压力图压痕实验力与位移关系图组图压痕实验力与位移关系图组图压痕实验力与位移关系图组图压痕实验力与位移关系图组上述图片表明，在的力下，随着工件表面粗糙度的增大，压痕深度先增大，后减小。

在和的压力下压痕深度随着表面粗糙度的增加依次递减。

当实验压力为是表面粗糙度越大，压痕深度越小，当表面粗糙度为时，压痕深度分别为和，差异很小。

结论不同粗糙度样品的表面在色泽上差别明显，粗糙度在低于的样品表面的呈现彩带状，对光的发射率明显较。

在粗糙度范围在到之间的样品表面颜色由浅到深。

观察，纳米金刚石涂层生长形貌如下图，样品的粗糙度等于，纳米生长状况不理想，颗粒稀少不均匀，没有呈现纳米团簇状，相反样片粗糙度等于，纳米生长状况要明显比样品和样品好，有明显的纳米团簇，颗粒大小均匀，涂层厚度大于样品和样品。

但是样品粗糙度的逐渐增大，涂层的生长状况变化不明显。

实验结果显示，纳米金刚石的的生长跟样品表面的粗糙度形貌有很大的关系，粗糙度低于或者大于的氮化硅为衬底材料不利于纳米金刚石的形核和生长，粗糙度在到之间的氮化硅衬底表面适合纳米金刚石的形核与生长。

关于衬底表面的粗糙度对纳米金刚石涂层的生长机理的影响有待进步研究。

下图为光学显微镜下的压痕照片图组表面粗糙度与压痕深度关系图压力图组表面粗糙度与压痕深度关系图压力第五章总结与讨论纳米效应就是指纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理化学特性，如图