聚碳酸酯（PC）上沉积类金刚石膜的性能研究

论文摘要

本课题采用射频等离子体增强化学气相沉积法和射频磁控溅射两种沉积方法在聚碳酸酯（PC）片上沉积类金刚石碳膜（DLC）。利用X射线衍射（XRD）、激光拉曼光谱（Raman）和X射线光电子能谱（XPS）研究了不同条件下制备的DLC膜的结构；利用扫描电子显微镜（SEM）研究了DLC膜的表面形貌；并通过表面粗糙度仪、摩擦磨损试验机和纳米压痕仪表征了DLC薄膜的机械性能；利用紫外-可见光分光光度计对沉积类金刚石碳膜的光学性能进行了详细的研究。XRD检测结果显示,利用本课题两种沉积方法在PC片上沉积的薄膜为非晶态。Raman、XPS测试表明,沉积薄膜符合类金刚石特征,为DLC薄膜；由分析数据可知,实验参数不同,DLC膜的成分结构及性质都有所变化,并且磁控溅射方法由于本底真空度高,C源为高纯石墨,薄膜制备过程中引入杂质途径少,比化学气相沉积方法制备的DLC薄膜纯度高。SEM分析发现薄膜由均匀的颗粒组成,薄膜与基体结合良好,没有出现开裂、分离的情况。通过薄膜机械性能表征可知,利用两种方法沉积DLC膜以后的PC片的摩擦系数、抗磨损性能和硬度性能均比原基底材料有明显改善。通过耐腐蚀性试验可知,制备的DLC在酸、碱、盐及有机溶液中具有良好的耐腐蚀和化学惰性。通过UV-VIS分光光度计对所沉积的类金刚石膜的透过率分析发现,类金刚石碳膜和PC材料本身对紫外光区的透射率极低,近乎完全吸收；而在可见光区DLC具有良好的透过率,可见光透射率均在80%以上,对基底材料可见光区光学性能的影响不明显,能够满足镜片和显示屏用PC材料光学性能的要求。通过对不同过渡层的研究,本文发现增加一定的过渡层对于沉积质量较好的薄膜十分有利。利用本文的两种沉积方法在增加过渡层的基底材料上沉积的DLC均比直接在PC上沉积的DLC的sp3含量高,硬度高,摩擦系数小,耐磨性好,即增加过渡层后,减小了薄膜内应力,增加了膜基结合力,明显提高了成膜质量。多项数据表明,在PC基底上增加Si过渡层比SiOx过渡层对形成高质量的DLC薄膜更加有利。此外,本文还总结了两种沉积方法制备的DLC膜在不同参数（如：入射功率,气体流量和过渡层等）条件下,薄膜微观结构、机械性能和可见光透过率等随工艺参数的变化规律。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 聚碳酸酯材料的特性及应用
• 1.1.1 聚碳酸酯材料的特性
• 1.1.2 聚碳酸酯材料的应用
• 1.2 类金刚石薄膜的结构及性质
• 1.2.1 类金刚石薄膜的结构
• 1.2.2 类金刚石薄膜的性质
• 1.3 类金刚石薄膜在PC材料表面改性方面的应用
• 1.3.1 光盘
• 1.3.2 医学领域
• 1.3.3 光学领域
• 1.3.4 其他领域
• 1.4 在聚碳酸酯材料上制备DLC薄膜的主要沉积方法及研究进展
• 1.4.1 物理气相沉积方法
• 1.4.2 化学气相沉积方法
• 1.5 研究的目的和内容
• 1.6 本章小结
• 第二章 类金刚石薄膜的制备方法
• 2.1 射频磁控溅射方法制备DLC
• 2.1.1 射频磁控溅射方法基本原理
• 2.1.2 射频磁控溅射中DLC膜形成过程
• 2.1.3 实验设备
• 2.1.4 工艺流程
• 2.1.5 工艺参数
• 2.2 RF-PECVD方法制备DLC
• 2.2.1 RF-PECVD方法基本原理
• 2.2.2 RF-PECVD方法DLC薄膜形成过程
• 2.2.3 实验设备
• 2.2.4 工艺流程
• 2.2.5 工艺参数
• 2.3 本章小结
• 第三章 类金刚石薄膜的结构分析和形貌表征
• 3.1 结构分析
• 3.1.1 X射线衍射谱（XRD）
• 3.1.2 拉曼光谱（Raman）
• 3.1.2.1 Raman光谱的高斯分解
• 3.1.2.2 数据比较与讨论
• 3.1.3 X射线光电子能谱（XPS）
• 3.1.3.1 XPS光谱分析
• 3.1.3.2 C1sXPS峰位分析
• 3.1.3.3 C1sXPS峰位高斯分解
• 3与sp²键组分的计算'>3.1.3.4 sp³与sp²键组分的计算
• 3.2 表面形貌
• 3.3 小结
• 第四章 类金刚石薄膜机械性能研究
• 4.1 膜厚与表面粗糙度测量
• 4.1.1 测试设备
• 4.1.1.1 设备简介
• 4.1.1.2 TR200粗糙度参数定义
• 4.1.2 膜厚的测量
• 4.1.3 表面粗糙度的测量
• 4.2 DLC膜的摩擦学特性
• 4.2.1 摩擦系数的测定
• 4.2.1.1 RF-PFCVD沉积工艺参数对摩擦系数的影响
• 4.2.1.2 射频磁控溅射沉积工艺参数对摩擦系数的影响
• 4.2.2 耐磨损性能
• 4.2.2.1 入射功率对耐磨损性的影响
• 4.2.2.2 不同过渡层对耐磨损性的影响
• 4.3 DLC薄膜的硬度表征
• 4.3.1 铅笔硬度表征
• 4.3.2 纳米压痕仪（Nanoindentation）硬度分析
• 4.3.2.1 纳米硬度测试的基本原理
• 4.3.2.2 实验结果及讨论
• 4.4 耐腐蚀性能测试
• 4.5 本章小结
• 第五章 类金刚石薄膜光学特性
• 5.1 透射率的测定—可见-紫外分光光度计
• 5.2 紫外光谱区透射率
• 5.2.1 普通树脂镜片基底
• 5.2.2 PC太空镜片基底
• 5.3 可见光谱区透射率
• 5.3.1 RF-PECVD制备方法
• 5.3.1.1 射频入射功率的影响
• 4气体流量比的影响'>5.3.1.2 Ar/CH₄气体流量比的影响
• 5.3.1.3 过渡层的影响
• 5.3.1.4 沉积时间的影响
• 5.3.2 磁控溅射制备方法
• 5.3.2.1 射频入射功率的影响
• 5.3.2.2 直流负偏压的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表论文