材料分析测试方法课程设计（论文）-以W为中间层的类石墨梯度镀层微观结构 分析.doc

材料分析测试方法 课程设计 论文 题目 以W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 班级 学生 学号 指导教师 起止时间2013 01 04 01 08 10 级材料分析测试方法课程设计 2 2012 年 秋季 学期 材料分析测试方法材料分析测试方法课程设计任务书 材料科学与工程 第3组 课程设计题目 以W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 2013年1月4日 10 级材料分析测试方法课程设计 材料分析测试方法材料分析测试方法课程设计评语 指导教师 签名 年 月 日 目 录 第一章第一章前前 言言 5 1 1 简介 5 1 2 透射电子显微镜 TEM 的原理 5 1 3 电子衍射仪 SAD 的原理 6 1 4 X 射线光电子能谱仪 XPS 的原理 6 1 5 原子力显微镜 AFM 的原理 6 第二章第二章 实验方法实验方法 7 2 1 实验材料 7 2 2 实验设备 8 2 3 实验方法与步骤 8 2 3 1 试样制备 8 2 3 2 微观组织分析仪器 9 2 3 3 物相分析仪器 9 2 3 4 成分分析仪器 9 2 3 5 表面形貌分析仪器 10 第三章第三章 实验结果与分析实验结果与分析 11 3 1 微观组织分析 11 3 2 物相分析 12 3 3 成分分析 16 3 4 表面形貌分析 18 第四章第四章 结结 论论 20 参考文献参考文献 21 附附 录录 22 10 级材料分析测试方法课程设计 第一章第一章 前前 言言 1 1 简介简介 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 通过研究以 W 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 W 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 透射电子显微镜 TEM 的原理 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 6 1 3 电子衍射仪 电子衍射仪 SAD 的原理 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 射线光电子能谱仪 XPS 的原理 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 原子力显微镜 AFM 的原理 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 10 级材料分析测试方法课程设计 第二章第二章 实验方法实验方法 2 1 实验材料实验材料 选用单晶硅为基体 通过磁控溅射镀层 过程如下 将纯 W 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 5 10 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 W C 纳米梯度层 过渡层 W C 复合层 工作层 组成的掺钨类石墨镀层的制备 含 W 类石墨层 W C 过渡层 W 中间层 基体 样品结构图 10 级材料分析测试方法课程设计 8 图 2 1 磁控溅射原理示意图 2 2 实验设备实验设备 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 实验方法与步骤实验方法与步骤 2 3 1 试样制备试样制备 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 10 级材料分析测试方法课程设计 2 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 10 用乙醇将样品擦拭干净 2 3 5 表面形貌分析仪器表面形貌分析仪器 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 10 级材料分析测试方法课程设计 第三章第三章 实验结果与分析实验结果与分析 3 1 微观组织分析微观组织分析 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 W 类石墨层 WC 过渡层 W 中间层和基体 通过 测量可知样品的镀膜 W 中间层厚度为 170nm W C 过渡层厚度为 124nm 整体镀层厚度约为 1090nm 10 级材料分析测试方法课程设计 12 图 3 1 镀层截面 TEM 像 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 W 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 含含 W 类石墨类石墨 层层 W C 过渡过渡 层层 W 中间层中间层 基体基体 10 级材料分析测试方法课程设计 图 3 2 镀层截面 TEM 图 3 2 物相分析物相分析 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 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 10 级材料分析测试方法课程设计 14 图 3 3 过渡层右段的电子衍射花样图 图 3 4 含 W 中间层的电子衍射花样图的标定 已知图上三点所在晶面对应的晶面间距为 10 级材料分析测试方法课程设计 d1 2 237nm d2 1 579nm d3 1 291nm 查附录 得到各 d 值对应晶面族 hkl 标定后的图样如图 3 4所示 故得到 W 为体心立方结构 图 3 5 a 含 W 类石墨层截面高分辨照片 图 3 6 b 含 W 类石墨层选区电子衍射花样 10 级材料分析测试方法课程设计 16 3 3 成分分析成分分析 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 W 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 sp3C C sp2C C W 元素的化 学态为 W WC WO2 图 3 7 C 的窄谱图 10 级材料分析测试方法课程设计 图 3 8 W 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 RSFAtomic Mass Atomic Conc Mass Conc C1S280 552 09339752 60 27812 01190 4838 30 W4F28 2503 63952759 33 523183 84 7 9 5261 70 表 1 XPS 成分分析表 10 级材料分析测试方法课程设计 18 3 4 表面形貌分析表面形貌分析 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 10 级材料分析测试方法课程设计 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 011E 01nm 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 第四章第四章 结结 论论 根据实验分析得到以下结论 1 以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 Cr 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 sp3C C 键的结合方式存在 参考文献参考文献 1 王富耻 材料现代分析测试方法 北京理工大学出版社