高疏水及超黏着性石墨烯薄膜的制备及表征

石墨烯因其特殊的二维结构和优异的力热光电性能而备受关注,因此研究石墨烯薄膜的表面性能具有重要的意义。以天然鳞片石墨为前驱体,采用化学氧化还原工艺制备石墨烯纳米片,利用原子力显微镜、拉曼光谱和红外吸收光谱等测试手段对样品进行表征。采用真空抽滤和喷涂两种方法制备石墨烯薄膜,并用光学接触角测量仪对其表面性能进行测试。结果表明:石墨烯纳米片的厚度约为0.8nm,并且表面有C=O、C-O、O-H等基团和缺陷。真空抽滤制备的石墨烯薄膜具有微纳结构,表现为高疏水性;喷涂法制备的石墨烯薄膜结构较为平整,其疏水性受基底影响。两种方法制备的石墨烯薄膜皆具有高黏着性。石墨烯薄膜所具有的优异性能为其在微纳功能部件、微流输运等高新技术领域的应用奠定了基础。     

纳米压痕方法测量超薄钛薄膜弹性模量的研究

利用直流磁控溅射(DCMS)在(100)方向的硅片上沉积厚度为60、90、120、180 nm的钛薄膜。采用布鲁克原子力显微镜(AFM)以及扫描电镜/扫描探针显微镜(SEM/SPM)联合测试系统分别对其进行纳米压痕试验,并通过赫兹理论和King模型求得其弹性模量值。由布鲁克原子力显微镜(AFM)得到的结果表明,厚度为60～180 nm的钛薄膜弹性模量在(95±2) GPa～(132±6)GPa;对于同一厚度的钛薄膜,在不同的峰值力下,其弹性模量均随着压入深度的增加而减小;而且对于不同厚度的钛薄膜,在相同的峰值力下,其弹性模量随薄膜厚度的增加而减小。另外,采用SEM/SPM联合测试系统得到钛薄膜的弹性模量同样随着薄膜厚度的增大而减小。     

大面积纳米金刚石薄膜的制备及场发射性能

以CH4和H2为反应气,采用微波等离子体增强化学气相沉积方法在直径为10 cm的硅原片上制备纳米金刚石薄膜。用X射线衍射仪、拉曼光谱、扫描电镜和原子力显微镜对薄膜的组成结构及性能进行表征。结果表明:薄膜的平均晶粒尺寸约为13.8 nm,厚度可达10.8μm,表面粗糙度约为11.8 nm;其拉曼光谱是典型的纳米金刚石薄膜的特征峰峰形,同时在高真空条件下对所制备的薄膜样品进行场发射性能测试。     

DLC表面特性对高速钢耐磨性的影响

在高速钢基体上沉积了三种不同的DLC薄膜,厚度均为2μm。利用原位纳米力学测试系统测试了DLC薄膜表面纳米硬度,采用德国标准用洛氏硬度计及金相显微镜方法测试了DLC薄膜与基体的结合强度。在MM200摩擦磨损试验机上比较了三种DLC试样对铸铁合金的摩擦磨损性能,利用三维超景深显微镜对DLC试样的磨痕面积及形貌进行测量与分析,并以磨痕面积评判耐磨性。结果表明:稳定磨损阶段各DLC试样在不同的润滑条件下摩擦系数均比较低;硬度及结合强度对DLC的耐磨性能有较大影响,硬度和结合强度适中时摩擦性能最好,而当硬度较低时耐磨性最差。     

退火温度对锗薄膜光学性能和表面结构的影响

研究了退火温度对电子束蒸发制备的锗薄膜光学性能和表面结构的影响规律.在硅基底上制备了厚度约850 nm的Ge薄膜,分别在350、400、450和500℃下进行退火.通过红外光谱仪测试了薄膜的透射率变化,采用光谱反演法得到了薄膜折射率和消光系数的变化规律,使用X射线衍射和原子力显微镜测试了样品的结晶特性和表面形貌.结果 ...     

新型 AFM 原子分辨率导电探针技术研究

目的制备新型导电探针,解决目前探针针尖曲率半径较粗、饱磁力大、调频困难、不容易得到高分辨图像等问题。方法向Si探针针尖蒸镀导电金属薄膜得到导电薄膜Si探针,镀Fe薄膜厚度约为几纳米,同时保证探针的曲率半径约10 nm。利用透射电镜观察和超高真空原子力显微镜扫描镀膜前后探针Na Cl(001)表面,分析其性能。结果自制的Fe薄膜Si探针由于蒸镀了金属薄膜,探针针尖性能稳定,Si探针扫描效果的悬挂键影响被消除,同时提高了系统的扫描分辨率。结论导电薄膜Si探针能够充分利用现有的仪器设备进行实验,具有造价低、使用简单、性能稳定等优点,可以作为将来磁交换力显微镜(MEx FM)的磁性探针来测试材料的表面磁信息。     

纳米压痕技术在材料力学测试中的应用

近年来,材料纳米级力学测试日益引起广大研究者的重视。纳米压痕仪凭借极高的载荷和位移分辨率,广泛应用于材料表面的微纳米级力学性能的测试,包括硬度、弹性模量、塑性应变、薄膜界面结合强度以及材料疲劳特性等。综述了几种纳米压痕和纳米冲击技术测试材料力学性能的方法和原理,介绍了纳米压痕技术在材料力学性能测试方面的若干先进应用实例及其测试机理,以及原子力显微镜和扫描探针显微镜在力学测试方面的原理和应用。最后,提出了纳米压痕仪存在的若干问题,并对纳米压痕技术的发展进行了展望,认为纳米压痕技术结合有限元模拟建立材料疲劳断裂模型,是纳米压痕在力学测试方面发展的必然趋势。     

纳米Pt膜的晶粒尺寸及其对热导率的影响

采用电子束-物理气相沉积法（EB-PVD）制备了6个厚度为15-62nm的铂薄膜,研究了纳米薄膜的晶粒尺寸及其对热导率的影响规律．当薄膜厚度小于30nm时,晶粒平均尺寸接近于薄膜的厚度;晶粒尺寸随着薄膜厚度的增加而增大并趋于定值;当薄膜厚度大于30nm时,晶粒尺寸约为20nm．受薄膜的表面和内部晶界的综合影响,铂纳米薄膜的热导率大大低于体材料的值,并且纳米薄膜的热导率随着薄膜厚度的增加而增大并趋于一个低于体材料热导率的值．     

偏压对DLC薄膜结构及摩擦学性能的影响

目的通过调节偏压,改善无氢DLC薄膜的微观结构,提高其力学性能和减摩抗磨性能。方法采用离子束辅助增强磁控溅射系统,沉积不同偏压工艺的DLC薄膜。采用原子力显微镜(AFM)观察薄膜表面形貌,采用拉曼光谱仪对薄膜的微观结构进行分析,采用纳米压痕仪测试薄膜硬度及弹性模量,采用表面轮廓仪测定薄膜沉积前/后基体曲率变化,并计算薄膜的残余应力,采用大载荷划痕仪分析薄膜与不锈钢基体的结合力,采用TRB球-盘摩擦磨损试验机评价薄膜的摩擦学性能,采用白光共聚焦显微镜测量薄膜磨痕轮廓,并计算薄膜的磨损率。结果偏压对DLC薄膜表面形貌、微观结构、力学性能、摩擦学性能都有不同程度的影响。偏压升高导致碳离子能量升高,表面粗糙度呈现先减小后增加的趋势,-400V的薄膜表面具有最小的表面粗糙度且C─C sp^3键含量最多,这也导致了此偏压下薄膜的硬度最大。薄膜的结合性能与碳离子能量大小呈正相关,-800 V时具有3.98 N的最优结合性能。不同偏压工艺制备的薄膜摩擦系数随湿度的增加,均呈现减小的趋势,偏压为-400V时,薄膜在不同湿度环境中均显示出最优的摩擦学性能。结论偏压为-400 V时,DLC薄膜综合性能最优,其表面粗糙度、硬度、结合力和摩擦系数分别为2.5 nm、17.1 GPa、2.81 N和0.11。     

离子束沉积Al2O3纳米薄膜微观结构及形貌研究

采用离子束溅射方法在单晶Si(100)基片上沉积厚度为100nm的Al2O3薄膜,利用原子力显微镜、X射线光电子能谱、掠入射衍射等微观分析手段,研究了薄膜的表面形貌、粗糙度、成分,及退火后微观结构的变化。研究表明:室温沉积在基片上的纳米薄膜为非晶态,纳米颗粒为无方向性沉积,颗粒呈团球状,其成分基本满足Al2O3的标准成分配比。850℃×6h退火处理后,生成晶态的-γAl2O3,薄膜表面结晶完整,颗粒清晰可见。     

硬质薄膜与自润滑织物衬垫对磨的摩擦磨损性能研究

目的 提高钛合金与自润滑织物衬垫对磨的耐磨性.方法 采用多弧离子镀在TC4钛合金表面制备TiN和CrAlN硬质薄膜,利用扫描电镜、X射线衍射仪、纳米压痕仪、销-盘摩擦磨损试验机、白光干涉扫描轮廓仪测试分析薄膜的形貌、结构、硬度、弹性模量、摩擦磨损性能和磨痕形貌.结果 在相同的测试条件下,TC4钛合金与自润滑织物衬垫对磨时,能更快地进入稳定摩擦阶段,且平均摩擦系数最低,仅为0.12;TiN薄膜进入稳定摩擦阶段所用时间和摩擦系数较TC4钛合金稍有增加;而CrAlN薄膜进入稳定摩擦阶段的用时最长且平均摩擦系数最大.测量摩擦磨损后自润滑织物衬垫磨痕的二维轮廓发现,当与CrAlN薄膜对磨时,自润滑织物衬垫的磨痕深度最大,但磨损率最低,这主要是软质织物衬垫的不均匀磨损引起的.进一步分析发现,所有的试验销表面均形成了转移膜,但CrAlN薄膜表面形成的转移膜最薄,从而导致其摩擦系数最大,磨损率最低.深入分析自润滑织物衬垫磨痕形貌发现,与TC4钛合金对磨的自润滑织物衬垫的磨痕表现为磨粒磨损和纤维束的破损;与TiN薄膜对磨的自润滑织物衬垫的磨痕表现为区域损失和表面不规则的凹痕;与CrAlN薄膜对磨的自润滑织物衬垫的磨痕中纤维束破损严重.结论 与自润滑织物衬垫对磨后,钛合金以及硬质薄膜表面均形成转移膜,CrAlN薄膜表面转移膜最薄,与之对磨的自润滑织物衬垫的磨损率最低.     

预沉积ZnO薄膜对ZnO−MoS2/ZnO复合涂层结构与性能影响

目的 通过优化原子层沉积工艺获取不同厚度ZnO薄膜,研究ZnO薄膜晶体取向对ZnO?MoS2涂层生长结构的影响,获得具有优异摩擦学性能的ZnO?MoS2/ZnO复合涂层。方法 采用原子层沉积法在不锈钢基体上预沉积不同厚度的ZnO薄膜,再用射频磁控溅射技术继续沉积ZnO?MoS2涂层,制备ZnO?MoS2/ZnO固体润滑复合涂层。结果 X射线衍射分析发现,预沉积ZnO薄膜有诱导后续ZnO?MoS2涂层沉积生长的作用,预沉积100 nm厚ZnO薄膜的ZnO?MoS2/ZnO复合涂层显示出宽化的MoS2 (002)馒头峰,其截面形貌显示为致密的体型结构,获得的摩擦因数最低(0.08),纳米硬度最高(2.33 GPa),硬度/模量比显示该复合涂层的耐磨损性能得到提升;X射线光电子能谱分析结果表明,复合涂层表面游离S与空气中水发生反应程度大约为原子数分数5%,显示复合涂层耐湿性能较好;基于原子层沉积ZnO薄膜生长及其对后续ZnO?MoS2涂层生长的影响分析,提出了ZnO?MoS2/ZnO复合涂层磨损模型,阐明了ZnO薄膜对复合涂层结构及摩擦学性能的影响,并以该模型解释了200 nm厚 ZnO薄膜上沉积ZnO?MoS2涂层出现的摩擦因数由高到低的变化趋势及最终磨损失效现象。结论 合适的原子层沉积制备的ZnO薄膜有利于MoS2 (002)取向生长,可有效提升ZnO?MoS2/ZnO复合涂层的摩擦学性能;控制ZnO薄膜厚度,可实现ZnO薄膜与基底及ZnO?MoS2层间界面之间的优化结合,以制得具有较好摩擦学性能及使用寿命的ZnO?MoS2/ZnO复合涂层。     

SiC基底HFCVD金刚石薄膜摩擦磨损性能

利用热丝化学气相沉积技术在碳化硅基底上制备微米金刚石薄膜、纳米金刚石薄膜和金刚石–石墨复合薄膜,采用扫描电子显微镜、原子力显微镜和拉曼光谱仪对不同金刚石薄膜的表面形貌和微观结构进行表征,通过摩擦磨损实验测试金刚石薄膜的摩擦系数并计算其磨损率,对比研究不同种类金刚石薄膜的摩擦磨损性能。结果表明:金刚石–石墨复合薄膜具有较好的摩擦磨损性能,薄膜表面粗糙度为53.8 nm,摩擦系数为0.040,和纳米金刚石薄膜（0.037）相当;金刚石–石墨复合薄膜的磨损率最低,为2.07×10?7 mm3·N?1·m?1。在相同实验条件下,同碳化硅基底的磨损率（9.89×10?5 mm3·N?1·m?1）和摩擦系数（0.580）相比,所有金刚石薄膜的磨损率和摩擦系数均有明显提升,说明在SiC基体表面沉积金刚石薄膜能够显著提高碳化硅材料在摩擦学领域的使役性能。      

离子液体添加剂对润滑剂摩擦和润滑性能的影响

目的研究离子液体作添加剂时对基础润滑剂成膜能力和摩擦磨损性能的影响。方法选取聚α烯烃(PAO8)和锂基脂作为基础润滑剂,用季膦盐油酸离子液体作为添加剂,用UMT-3型多功能摩擦磨损试验机(UMT)进行实验,并对试验后的试样表面进行SEM分析。同时用光干涉点接触润滑油膜厚度测量装置测量其膜厚,通过对比基础润滑剂与添加离子液体后的摩擦系数、膜厚和磨斑,评价离子液体添加剂对基础润滑剂摩擦润滑性能的影响。结果相比于基础油和基础脂,离子液体作添加剂可以有效地降低摩擦磨损。含有离子液体添加剂的润滑剂有更高的油膜厚度,在高载荷工况下更明显。添加离子液体可以有效减轻基础油的乏油程度。结论离子液体添加剂可以有效减小摩擦磨损,提高润滑性能。     

沉积压力对磁控溅射WS2薄膜摩擦学性能的影响

目的研究不同沉积压力对磁控溅射WS2薄膜微观结构、力学性能和摩擦学性能的影响。方法采用射频磁控溅射法制备WS2薄膜。利用扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对薄膜微观形貌、成分和晶相结构进行表征。用纳米压痕仪、摩擦磨损试验机和白光干涉三维形貌仪测试薄膜的力学性能和摩擦磨损性能。结果随着沉积压力增大,WS2薄膜疏松多孔结构明显降低,粗大柱状晶显著细化,薄膜致密度得到有效改善。沉积压力大于0.8Pa时,WS2薄膜表现出明显的(101)晶面择优取向。WS2薄膜硬度变化与薄膜中S/W原子比变化趋势相反,弹性模量逐渐减小。沉积压力0.4 Pa时,由于WS2薄膜大部分易滑移(002)晶面平行于基体表面,摩擦系数最低,为0.092,但其耐磨性能最差。沉积压为1.6 Pa时,WS2薄膜的磨损率最低,为2.34×10^-7 mm^3/(N·m),表现出良好的耐磨性能。结论改变沉积压力可以显著提高WS2薄膜致密度,改善薄膜的力学性能,提升WS2薄膜的摩擦磨损性能。     

基于原子层沉积的Al_2O_3薄膜微观形貌研究

研究利用原子层沉积获得的小于10 nm Al_2O_3薄膜表面形貌特点。采用该技术获得4和8 nm的Al_2O_3薄膜,利用原子力扫描电镜(AFM)和扫描电镜(SEM)对薄膜表面形貌进行测量,通过最小二乘法和多重分形研究薄膜表面形貌,分析得出利用原子层沉积技术加工超薄Al_2O_3薄膜,其形貌与成膜原理有关,与厚度无关。     

CoCrWSi涂层高温冲击磨粒磨损行为*

CoCrWSi涂层由于其优异的耐高温氧化性能,有望成为汽轮机零部件的防护涂层之一。但是关于该涂层在汽轮机真实服役环境中的高温冲击磨粒磨损行为却鲜有报道。以汽轮机阀门部件材料SA-182F92为基体,制备CoCrWSi防护涂层。利用自研的高温沙粒冲击试验机,研究CoCrWSi涂层在沙蚀环境中的高温冲击磨损行为,通过冲击动力学响应和磨痕形貌来评价该涂层的耐冲击磨粒磨损性能。结果表明：CoCrWSi涂层具有耐高温冲击磨粒磨损性能,具体表现为相同冲击次数下,CoCrWSi涂层样品的磨损面积、磨损体积和最大磨痕深度比基体样品小数倍,CoCrWSi涂层样品的能量吸收量和吸收率均小于基体样品。在高温沙粒环境下,冲击的过程中会有大量的沙粒嵌入磨痕表面,沙粒具有的不规则棱角会切削磨痕表面,进而磨痕表面可以观察到大量犁沟。在高温沙粒环境下,基体与涂层的磨损机理为塑性变形和磨粒磨损。不同的是,软化的基体在冲击区域边缘有明显的隆起,发生更严重的塑性变形;而涂层在冲击过程中虽没有完全剥落,但涂层内部萌生了微裂纹,磨痕表面也有部分涂层剥落。研究结果是在模拟汽轮机真实服役状况下得出的,试验参数如加热温度、沙粒（杂质...     

AFM Study on Reliability of Nanoscale DLC Films Deposited by ECR-MPCVD

IN the last twenty years,amorphous carbon film due toits particular diamond-like performance has beenattracting much attention.As the deposition process isgradually perfected,the DLC film,with highmechanical hardness,chemical inertness,opticaltransparency,and its wide band gap,is becoming thefocus of thin film area I1>21.At present,DLC film haswidespread applications for its peculiarities ofdecoration and function,such as optical windows,magnetic storage disks,biomedical coatings,micro-elec…     

Influence of growth temperature on the optical and structural properties of ultrathin ZnO films

This study investigates the effect of growth temperature on the optical and structural properties of ultrathin ZnO films on the polished Si substrate. Thickness of the ultrathin ZnO films deposited by atomic layer deposition (ALD) method was about 10 nm. Photoluminescence (PL), X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM) and atomic force microscopy (AFM) techniques were used to measure the properties of ultrathin ZnO films. Experimental results showed that the ultrathin ZnO film deposited at 200 °C had excellent ultraviolet emission intensity, and the average roughness of the film surface was about 0.26 nm.