docWytwarzanie, struktura i właściwości cienkich powłok na bazie węgla
download 
Reklamacja Transkrypt
Wytwarzanie, struktura i właściwości cienkich powłok na bazie węgla
Politechnika Koszalińska Politechnika Koszalińska Dotacje na innowacje Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Technik Próżniowych Wytwarzanie, struktura i właściwości cienkich powłok na bazie węgla Andrzej Czyżniewski Dotacje na innowacje Politechnika Koszalińska Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej Plan referatu 1. Struktura i rodzaje cienkich powłok na bazie węgla 2. Dlaczego powłoki na bazie węgla do narzędzi do obróbki drewna? 3. Metody wytwarzania cienkich powłok na bazie węgla 4. Powłoki DLC wytwarzane techniką katodowego odparowania łukowego 5. Powłoki X-DLC wytwarzane techniką reaktywnego rozpylania magnetronowego Politechnika Koszalińska Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej Struktura cienkich powłok na bazie węgla W skali makro i mikroskopowej struktura amorficzna H H H Bredas J.L. and Street (1987) DLC – Diamond-Like Carbon Powłoki diamentopodobnego węgla Politechnika Koszalińska Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej Układ fazowy H Robertson J.,Diamond and Related Materials 3 (1994) 361-368. H H Politechnika Koszalińska Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej Rodzaje i nazewnictwo powłok na bazie węgla a-C – powłoki amorficznego węgla a-C:H – powłoki amorficznego uwodornionego węgla ta-C – powłoki tetraedrycznego węgla > 80% NCD – powłoki nanokrystalicznego diamentu nanokrystaliczne wydzielenia diamentu w osnowie DLC PCD – powłoki polikrystalicznego diamentu X-DLC - powłoki węglowe modyfikowane metalami lub niemetalami, X – Ti, W, Cr, Si, B, Cu, Ag X-C, X/a-C, X-C:H, Me-C:H, XC/a-C, XC/a-C:H, a-C:H:X, ta-C:X, X-DLC, XC-DLC DLC – powłoki diamentopodobnego węgla Politechnika Koszalińska Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej Właściwości powłok na bazie węgla Struktura – od krystalicznej (PCD) do amorficznej (a-C, a-C:H) Twardość - 3 - 100 GPa zależnie od udziału wiązań sp, sp2 i sp3 Naprężenia wewnętrzne - do 15 GPa Niska adhezja i odporność na pękanie Współczynnik tarcia suchego - 0,001 - 0,8 Zróżnicowana odporność na zużycie przez tarcie (wysoka gdy kvc< 10-7 mm3/Nm) Grafityzacja pod wpływem temperatury i naprężeń Wysoka przewodność cieplna Obojętność chemiczna Politechnika Koszalińska Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej Metody wytwarzania powłok na bazie węgla CVD – Chemical Vapour Deposition PACVD – Plasma Activated Chemical Vapour Deposition Chemiczne osadzanie z fazy gazowej aktywowane plazmą PACVD C2H2, CH4, H2 plazma C, H, CH Powłoka a-C:H, NCD, PCD DC PACVD – aktywacja plazmą stałoprądową (a-C:H) RF PACVD - aktywacja plazmą wysokiej częstotliwości (a-C:H, NCD) MW PACVD – aktywacja plazmą mikrofalową (a-C:H, NCD, PCD) Politechnika Koszalińska Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej Metody wytwarzania powłok na bazie węgla PVD - Physical Vapour Deposition PAPVD – Plasma Assisted Physical Vapour Deposition Fizyczne osadzanie z fazy gazowej w obecności plazmy CAPD - Cathodic Arc Plasma Deposition Katodowe odparowanie łukowe Technika łukowa Technika łukowo-próżniowa ARC, ARC-PVD, CAD, CVA, VA MS – Magnetron sputtering (Reactive) Rozpylanie magnetronowe (reaktywne) Technika magnetronowa MS, UBM, MIP IBD – Ion Beam Deposition Osadzanie powłok z wiązki jonów PLD – Pulsed Laser Deposition Osadzanie powłok z wykorzystaniem ablacji laserowej ARC MS Politechnika Koszalińska Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej Dlaczego powłoki na bazie węgla do narzędzi do obróbki drewna? ta-C (DLC) Wysoka twardość - 40-60GPa Wysokie naprężenia Niska odporność na pękanie Grafityzacja? Obniżenie oporów skrawania? X-DLC (W-DLC) Średnia twardość ~ 20GPa Budowa nanokompozytowa Wysoka odporność na pękanie Grafityzacja Obniżenie oporów skrawania Politechnika Koszalińska Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej Powłoki DLC (ta-C) wytwarzane techniką łukową - ARC Źródła łukowe z targetami grafitowymi DLC = ta-C + a-C 50A 25V 80A 20V 50A 25V Cr, 0,2mm, 10GPa HSS, 10GPa HM, 15-22GPa Ar, 0,1Pa - 600 V -20V Uchwyty podłoży DLC, 1,8mm, 50 GPa Źródło łukowe z targetem chromowym Politechnika Koszalińska Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej Powłoki DLC wytwarzane techniką łukową - ARC Cr/DLC DLC Cr-CrNx HSS, HM Cr-CrNx/CrCN HSS, HM Politechnika Koszalińska Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej Powłoki DLC wytwarzane techniką łukową – ARC FARC – Filtered ARC A. Anders, Cathodic arcs, Springer 2008 A. Anders, Cathodic arcs, Springer 2008 ta-C A. Anders, AVS 53rd International Symposium & Exhibition Politechnika Koszalińska Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej Powłoki DLC wytwarzane techniką łukową - ARC Główne parametry determinujące właściwości powłoki bazowej Parametry pracy źródeł łukowych (wartość prądu d.c., wartość i częstotliwość impulsów wysokoprądowych) Ciśnienie argonu Napięcie polaryzacji podłoża Temperatura podłoża Grubość powłoki DLC Grubość podwarstwy Cr Sposób przemieszczania pokrywanych elementów Zawartość mikrokropel Politechnika Koszalińska Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej Powłoki X-DLC wytwarzane techniką magnetronową AM700 Ar 0,3 Pa 3A 80A 500V 20V C2H2 1,5A 600V -- 100 800 VV Politechnika Koszalińska Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej Budowa powłok X-DLC (W-DLC) Warstwa W-DLC PAPVD + PACVD Warstwa W-WCx-W-DLC Wielowarstwa Cr/W Warstwa Cr Podłoże – Si (100) IC2H2 TEM Politechnika Koszalińska Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej Szczegóły budowy poszczególnych warstw powłoki W-DLC WC Politechnika Koszalińska Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej Struktura i właściwości powłok X-DLC Powłoki nanokrystaliczne Powłoki nanokompozytowe Nanokrystality < 20 nm Nanokrystality 10 – 1 nm < 5% DLC 5 – 95% DLC XC DLC 0 - 20% DLC Wysoka twardość Niska odporność na pękanie WC, dWC=8-10nm H=40GPa, f=0,35 30 – 70% DLC Wysoka twardość Wysoka odporność na pękanie W-DLC, dWC=3-4nm H=30-20GPa, f=0,25 80 – 90% DLC Korzystne właściwości tribologiczne W-DLC, dWC < 2nm H= 16-8GPa, f=0,05 Politechnika Koszalińska Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej Powłoki X-DLC wytwarzane techniką magnetronową Główne parametry determinujące właściwości powłoki bazowej Ciśnienie cząstkowe acetylenu (natężenie przepływu) Napięcie polaryzacji podłoża Grubość powłoki X-DLC Grubość i architektura podwarstwy na bazie Cr i Cr/X Sposób przemieszczania pokrywanych elementów Temperatura podłoża Politechnika Koszalińska Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej Zespół realizujący Zadanie 3 projektu „Hybryda” A. Czyżniewski M. Pancielejko J. Walkowicz V. Zavaleyev S. Bernat A. Pander A. Wojtalik Dziękuję za uwagę Projekt współfinansowany przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Innowacyjna Gospodarka, 2007-2013.
