课程设计论文

2材料分析测试方法课程设计（论文）题目： 以Zr 为中间层的类石墨梯度镀层微观结构分析学院 材料科学与工程专业 材料科学班级 材料105学生 刘涛学号 3100101129指导教师 陈迪春起止时间 2013.01.0401.0810 级材料分析测试方法课程设计172012 年 秋季 学期材料分析测试方法课程设计任务书材料科学与工程系 材料科学专业 材料105班 第2组 刘涛课程设计题目：以Zr为中间层的类石墨梯度镀层微观结构分析课程设计内容要求：1.针对材料分析测试课题，选择适合的测试方法、实验仪器、实验参数和试样制备方法等，设计出一套切实可行的实验方案和实验步骤，并说明选择依据和测试注意事项，运用所学的知识对实验方案进行深入分析讨论。2.结合实验室条件，制备满足分析测试要求的样品，并上机进行实验测定，分析处理实验数据，对实验结果进行分析讨论。 3.完成四千字以上课程设计论文一篇，论文包括前言、实验方法、实验结果、结论、参考文献等项内容。 4.设计要求图文规范，严格按照学校要求的课程设计论文格式打印。 学生（签名）刘涛2013年01月04日10 级材料分析测试方法课程设计18材料分析测试方法课程设计评语指导教师（签名） 年 月 日材料分析测试方法课程设计（论文）2目 录第一章 前 言 .51.1 简介 .51.2 透射电子显微镜（TEM）的原理 .51.3 电子衍射仪（SAD）的原理 .61.4 X 射线光电子能谱仪（XPS）的原理 61.5 原子力显微镜（AFM）的原理 6第二章 实验方法 .72.1 实验材料 .72.2 实验设备 .82.3 实验方法与步骤 .82.3.1 试样制备 .82.3.2 微观组织分析仪器 .92.3.3 物相分析仪器 .92.3.4 成分分析仪器 .92.3.5 表面形貌分析仪器 .10第三章 实验结果与分析 .113.1 微观组织分析 .113.2 物相分析 .123.3 成分分析 .163.4 表面形貌分析 .18第四章 结 论 .20参考文献 .21附 录 .22第三章 实验结果与分析18第一章 前 言1.1 简介由以往的研究表明，在石墨镀层中添加异质元素以后得到的以异质元素为中间层的类石墨梯度镀层材料的性能比纯石墨涂层的性能更好。加入异质元素对材料的硬度元素成键规律等均有影响，可以显著改善镀层的结构和性能，并改善其在特定环境下的物理化学特性。以 Cr 为中间层的类石墨梯度镀层材料有明显的柱状生长取向，通过其截面形貌可以明显看出。这与相应过渡层疏松的柱状结构有关，薄膜在柱状过渡层表面的生长产生了择优取向，使其沿着原有的柱状结构顶部继续以垂直于基底表面的方向生长。膜中普遍存在的柱状生长间隙也使膜层变得疏松粗糙，从而在相应的表面形态上呈现出鳞片状结构。通过研究以 Cr 为中间层的类石墨梯度镀层的微观结构，进一步明确在石墨镀层中添加异质元素 Cr 以后的得到的材料的微观组织、物相、成分的特点，对后续研究提供相关的依据。1.2 透射电子显微镜（TEM）的原理透 射 电 镜 的 总 体 工 作 原 理 是 ： 由 电 子 枪 发 射 出 来 的 电 子 束 ， 在 真 空通 道 中 沿 着 镜 体 光 轴 穿 越 聚 光 镜 ， 通 过 聚 光 镜 将 之 会 聚 成 一 束 尖 细 、 明亮 而 又 均 匀 的 光 斑 ， 照 射 在 样 品 室 内 的 样 品 上 ； 透 过 样 品 后 的 电 子 束 携带 有 样 品 内 部 的 结 构 信 息 ， 样 品 内 致 密 处 透 过 的 电 子 量 少 ， 稀 疏 处 透 过的 电 子 量 多 ； 经 过 物 镜 的 会 聚 调 焦 和 初 级 放 大 后 ， 电 子 束 进 入 下 级 的 中间 透 镜 和 第 1、 第 2 投 影 镜 进 行 综 合 放 大 成 像 ， 最 终 被 放 大 了 的 电 子 影像 投 射 在 观 察 室 内 的 荧 光 屏 板 上 ； 荧 光 屏 将 电 子 影 像 转 化 为 可 见 光 影 像以 供 使 用 者 观 察 。10 级材料分析测试方法课程设计171.3 电子衍射仪（SAD）的原理电子衍射的原理和 X 射线衍射相似，是以满足或基本满足布拉格方程作为产生衍射的必要条件。多晶体的电子衍射花样是一系列不同半径的同心圆环，单晶衍射花样由排列得十分整齐的许多斑点组成。而非晶态物质的衍射花样只有一个散漫的中心斑点。1.4 X 射线光电子能谱仪（XPS）的原理X 射 线 光 子 的 能 量 在 1000 1500ev 之 间 ， 不 仅 可 使 分 子 的 价 电 子电 离 而 且 也 可 以 把 内 层 电 子 激 发 出 来 ， 内 层 电 子 的 能 级 受 分 子 环 境 的 影响 很 小 。 同 一 原 子 的 内 层 电 子 结 合 能 在 不 同 分 子 中 相 差 很 大 ， 故 它 是 特征 的 。 光 子 入 射 到 固 体 表 面 激 发 出 光 电 子 ， 利 用 能 量 分 析 器 对 光 电 子 进行 分 析 的 实 验 技 术 称 为 光 电 子 能 谱 。1.5 原子力显微镜（AFM）的原理原子力显微镜，一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，这时它将与其相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。扫描样品时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布信息，从而以纳米级分辨率获得表面结构信息。第三章 实验结果与分析18第二章 实验方法2.1 实验材料选用单晶硅为基体，通过磁控溅射镀层。过程如下：将纯 Cr 靶材与石墨靶材相邻间隔安装于圆形真空腔室侧壁，靶基距固定为 120mm，选取高纯 Ar 气作为溅射气体并于本底真空度为 3.510-3Pa时通入流量为 20cm/min 的 Ar 气，基体由工件夹固定于样品架上并进行5r/min 的自传运动，分别通过调整施加于各靶材上的靶电流和样品架上的脉冲偏压值顺序进行了由纯铬层、Cr/C 纳米梯度层（过渡层） 、Cr/C 复合层（工作层）组成的掺铬类石墨镀层的制备。含 Cr 类石墨层Cr-C 过渡层Cr 中间层基体样品结构图10 级材料分析测试方法课程设计17图 2-1 磁控溅射原理示意图2.2 实验设备X 射线光电子能谱仪（XPS） 型号：AXIS ULTRA 生产厂家：英国KRATOS原子力显微镜（AFM） 型号： 生产厂家：透射电子显微镜(STM) 型号：JEM-3010 生产厂家：日本电子电子衍射仪扫描探针显微镜以及样品制备设备2.3 实验方法与步骤2.3.1 试样制备1.灯下观察玻璃片，找出有膜的一面，在无膜的那一面用红色白板笔涂一色，便于在后面的加工中容易找出膜面。第三章 实验结果与分析182.在整块截取几块 2mm 见方的玻璃片，注意不要弄伤膜面。选取几对大小一致的玻璃片。先取一对，将两块玻璃有膜面用离子减薄专用胶粘在一块，然后将粘好的玻璃夹在试样台上放在电热板上烘烤 30 分钟左右。3.取下样品，用热固性胶粘在样品平台上，然后在砂纸打磨，磨出一较平截面。4.然后取一铜环并且用丙酮洗净，用树脂胶将其粘在摸平的截面上，再放在电热板上烘烤 30 分钟。5.取下试样，将试样翻面，再用热固性胶粘在试样台上，冷却固化后，用砂纸继续打磨，直至玻璃片磨制 10 微米厚。6.用丙酮泡下试样片，用离子减薄仪减薄大约 7-8 小时，直至圆环孔中心出现微小孔洞。7.取下样品，便可进行观察。2.3.2 微观组织分析仪器TEM：用于结构分析，显微组织观察。TEM 制样较为复杂，耗费时间较长，制样成功率较低。由于膜面看到有用信息少，因此需磨制膜截表面样品以供观察。2.3.3 物相分析仪器电子衍射仪：用于物相鉴定，测定晶体取向和原子位置。由于强度大，电子又极易为物体所吸收，因而适合于研究薄膜。且产生的衍射花样能较直观地反映晶体内部的各种情况。2.3.4 成分分析仪器XPS：用于物质元素和化学态分析，测试时在样品放入真空室之前，要10 级材料分析测试方法课程设计17用乙醇将样品擦拭干净。 2.3.5 表面形貌分析仪器AFM：具有原子级高分辨的新型仪器，可以在大气和液体环境下对各种材料和样品进行纳米区域的物理性质包括形貌进行探测第三章 实验结果与分析18第三章 实验结果与分析3.1 微观组织分析对样品进行微观组织（TEM）分析，从图 3-1 可以分辨出由上到下共可分为四层，分别为：含 Zr 类石墨层、Zr-C 过渡层、 Zr 中间层和基体；通过测量可知样品的镀膜 Zr 中间层厚度为 840nm；Zr-C 过渡层厚度为 160nm；整体镀层厚度约为 1400nm。图 3-1 镀层截面 TEM 像含 Zr 类石墨层Zr-C 过渡层Zr 中间层基体10 级材料分析测试方法课程设计17由样品的截面透射电子显微镜分析图（图 3-2）可以清楚的看出以 Zr为中间层的类石墨梯度镀层材料有明显的柱状生长取向，薄膜在柱状过渡层表面沿着原有的柱状结构顶部继续以垂直于基底表面的方向生长，膜中普遍存在的柱状生长间隙也使膜层变得疏松粗糙。图 3-2 镀层截面 TEM 图3.2 物相分析已知多晶体的电子衍射花样为一系列半径不同的同心圆环，单晶的衍射花样是由许多排列整齐的亮斑组成。由衍射公式 d=L/R，可以求出相应晶面间距 d1、d2、d3，根据 d 值，第三章 实验结果与分析18得到各 d 值对应晶面族hkl，然后据衍射斑点之间的夹角判定各斑点的指数；或在已知晶体结构，可直接对照标准图样标定各斑点指数，就可得到该晶体点阵类型。过渡层右段的选区衍射花样如图 3-3 所示，呈扩散的环状，表明其中的非晶特征增强。左段选区的衍射花样如图 3-4 所示，呈比较清晰的环状，表明该区域中的晶粒为细小的多晶。图 3-3 过渡层右段的电子衍射花样图 图 3-4 过渡层左段的电子衍射花样图10 级材料分析测试方法课程设计17图 3-5 含 Cr 中间层的电子衍射花样图的标定已知 1、5、7 点所在晶面对应的晶面间距为d1=0.2034nm、d 5=0.1447nm、d 7=0.1018nm，查附录，得到各 d 值对应晶面族hkl，标定后的图样如图 3-5 所示，故得到 Zr 为密排六方结构。第三章 实验结果与分析18图 3-6 （a 图）含 Zr 类石墨层截面高分辨照片(b 图) 含 Zr 类石墨层选区电子衍射花样由图 3-6 （a 图）可以知，图中观察不到晶界、位错或孪晶的等晶体缺陷，且无长程的密度起伏。ab10 级材料分析测试方法课程设计173.3 成分分析XPS 是利用入射电子与样品作用光致电离产生光电子信号，根据测量所得的光电子谱峰位置，对照标准谱图，确定表面存在的元素及元素的化学态。再依据谱线强度做定量分析。实测谱图与标准谱图对照时，需先对其校准。校准时用标准 C 峰为参照，对实测峰位置进行统一相加或相减。作 XPS 时，用乙醇样品洗净，防止膜上面的污染物在抽真空时挥发，影响真空度。X 射线源选用 Alk 线，其功率为 150W，管电压为 15KV，射线能量为 1486.6ev，真空度优于 1e-9，分析得到 Cr、C 各自的窄谱图。分别对图 3-7、图 3-8 中峰进行校准，在与标准谱对照，找出元素对应的化学态。其中，C 元素的化学态为 C-O、sp 3C-C、sp 2C-C；Cr 元素的化学态为 CrO2、Cr。图 3-7 C 的窄谱图第三章 实验结果与分析18图 3-8 Cr 的窄谱图XPS 不但可以作成分定性分析，还可以作成分的定量分析，表 1 给出了各元素的含量。Peak Position BE(eV)FWHM (eV)Raw Area(CPS)RSF Atomic MassAtomicConc%MassConc%Zr 3d 176.750 4288 2994.1 2.576 91.225 0.42 3.13C 1s 280.550 2.008 77098.5 0.278 12.011 99.58 96.87表 1 XPS 成分分析表10 级材料分析测试方法课程设计173.4 表面形貌分析 使用原子力显微镜（AFM）观测样品的表面形貌和粗糙度。图 3-9 原子力显微镜下的样品表面形貌图 3-10 样品表面形貌第三章 实验结果与分析18表面粗糙度，是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷不平度。其两波峰或两波谷之间的距离（波距）很小（在 1mm 以下） ，用肉眼是难以区别的，因此它属于微观几何形状误差。表面粗糙度越小，则表面越光滑。表面粗糙度的大小，对机械零件的使用性能有很大的影响。样品表面粗糙度可以通过图 3-11 中 RMS 的值确定，粗糙度（RMS）值为,1.086E+08nm。由图 3-11 可知，非晶碳膜都具有较小的摩擦系数和比磨损率，故而在空气中表现出来良好的耐磨特性。图 3-11 原子力显微测定样品表面粗糙度材料分析测试方法课程设计（论文）2第四章 结 论根据实验分析得到以下结论：1. 以 Zr 为中间层的类石墨镀层表面组织致密、均匀、团簇及颗粒细小、比较光滑，说明该镀层表面质量较好；梯度镀层过渡平缓，断裂表面均匀、致密、平整。2. 过渡层 Zr 的纳米晶粒相嵌在中非晶相，形成纳米复合使镀层具有一定的韧性。3. 薄膜中 C 元素以 sp2C-C、sp 3C-C 键的结合方式存在。材料分析测试方法课程设计（论文）2参考文献1 王富耻. 材料现代分析测试方法, 北京理工大学出版社2 曹茂盛. 材料合成与