Cr掺杂及Cr过渡层对类金刚石薄膜附着力的影响

采用线性离子束复合磁控溅射的混合PVD技术制备了含Cr过渡层以及Cr掺杂的DLC薄膜,并测量了其厚度、残余应力、结合力、摩擦因数等性能.划痕测试的结果表明,增加过渡层后薄膜的结合状况得到了明显改善,其残余应力也有所下降,Cr掺杂的DLC薄膜残余压应力最低可达0.23 GPa.有关结果为强膜基结合力、低应力、大面积的类金刚石薄膜可控制备提供了新的技术思路.     

橡胶/类金刚石复合材料界面结合及摩擦性能研究进展

综述了橡胶表面沉积DLC薄膜的主要制备技术,包括磁控溅射法和等离子体化学气相沉积法。概括了橡胶/DLC复合材料的表面形貌特性,尤其是温差对表面斑块结构的影响机制。重点介绍了X切割法、划痕法及拉伸法为主的橡胶/DLC复合材料界面结合力的评估方法,分析了基体表面等离子体处理、添加过渡层及异质元素掺杂DLC薄膜对提升橡胶与DLC薄膜结合力的影响。此外,以刚性球为摩擦配副,阐述了橡胶/DLC复合材料的摩擦性能测试方法。基于橡胶的黏弹特性,探讨了橡胶/DLC复合材料的摩擦行为,并归纳了Maxwell模型、Voigt模型、双Voigt模型和SLS模型的特点和局限性。最后,围绕目前橡胶表面DLC薄膜耐磨改性工作中存在的问题和挑战,探讨和展望了未来的研究方向。     

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。     

高速工具钢W6Mo5Cr4V2表面不同DLC处理后的性能探讨

设计了过渡层和梯度膜结构,采用PVD磁控溅射工艺和PVD磁控溅射+PECVD(脉冲等离子增强化学气相沉积)复合工艺在高速工具钢W6Mo5Cr4V2表面制备不同的类金刚石(Diamond-like Carbon,DLC)膜:Ti过渡层+DLC膜以及CrN+CrNC+CrC+DLC(掺杂Cr)硬质膜.对这两种膜层的成分、结构、形貌和力学性能的对比分析发现,前者表面粗糙度小,但是后者的综合力学性能更好.     

CuO表面改性SiC_p增强7075Al复合材料的组织性能

为了改善SiC_p与7075铝合金基体之间的润湿性,采用化学沉积法在SiC_p表面形成CuO包覆改性,通过挤压铸造工艺制备了改性SiC_p增强7075Al复合材料,并对复合材料的力学性能、显微组织进行分析。结果表明,SiC_p表面CuO改性是一种经济有效的,能提高SiC_p与7075铝合金基体间浸润性的表面改性方式。经改性处理后的SiC_p在基体中均匀分布。同时,改性SiC_p与基体结合良好,改性复合材料表现出较好的力学性能,抗拉强度达到378 MPa。     

线性离子束制备DLC薄膜的结构和性能

为研究线性离子束技术在不同基体材料上沉积DLC薄膜的结构和性能,分别在YG6硬质合金、SKD11不锈钢和T7451铝合金表面沉积DLC(类金刚石)薄膜,并采用Cr作为过渡层,缓解膜基不匹配性。通过原子力显微镜、台阶仪和Raman光谱研究薄膜的表面形貌和微观结构;利用划痕仪和摩擦磨损试验机对薄膜膜基结合强度及耐磨性进行测试。结果表明:采用该技术制备的DLC薄膜均匀光滑,表面粗糙度Ra仅为5.5nm;DLC/Cr/SKD11膜系的ID/IG值低于DLC/Cr/YG6膜系和DLC/Cr/T7451膜系,说明沉积于SKD11表面的DLC含有较多的sp3 C;DLC/Cr/SKD11和DLC/Cr/T7451膜系膜基结合强度为42.2N和23.2N,而DLC/Cr/YG6膜系在120N载荷范围内未有明显破损脱落,结合强度最好;DLC/Cr/YG6膜系摩擦因数(0.09)小于DLC/Cr/SKD11膜系(0.14)和DLC/Cr/T7451膜系(0.32),说明其具有较好耐磨性能。由此看出,不同基体上制备的DLC薄膜结构不同,结合强度和耐磨性也有所差别。     

调制比对HiPIMS制备多层DLC薄膜耐腐蚀性能的影响

为获得具备优异耐腐蚀性能的类金刚石(DLC)涂层,采用高功率脉冲磁控溅射技术(HiPIMS)在硅片表面制备软(低sp~3含量)硬(高sp~3含量)交替多层类金刚石薄膜,探究调制比对薄膜耐腐蚀性能的影响。采用XPS、四探针电阻仪、轮廓仪对薄膜成分、电阻率、残余应力进行检测分析,通过电化学测试获得多层DLC薄膜的极化曲线。结果表明:相较于低衬底偏压(-25 V)下沉积的纯软DLC薄膜,高衬底偏压(-75 V)下沉积的纯硬DLC薄膜sp~3含量明显升高;纯软薄膜电阻率为100.53 kΩ·cm,纯硬DLC薄膜电阻率高达1 585.21 kΩ·cm,电阻率随着硬膜厚度的增加而增加;薄膜中残余应力随着调制比(软∶硬)的减小而上升,纯硬DLC薄膜残余应力为0.943 GPa,而纯软薄膜残余应力仅为0.095 GPa。电化学试验结果显示,调制比为1∶2的多层DLC薄膜自腐蚀电位为-0.014 V,自腐蚀电流密度为36.6 n A/cm2,具有相对最佳的耐腐蚀性能。     

橡胶表面粗糙度对DLC薄膜摩擦学性能的影响

目的 探究三元乙丙橡胶(EPDM)表面粗糙度对DLC薄膜和Cr/DLC的微观结构、附着力、摩擦学性能的影响,并阐明Cr中间层对橡胶表面DLC薄膜的作用。方法 使用砂纸打磨EPDM橡胶得到不同的表面粗糙度。采用非平衡磁控溅射技术在不同粗糙度的橡胶基体表面沉积无中间层的类金刚石碳基薄膜(DLC)及有Cr中间层的类金刚石碳基薄膜(Cr/DLC)。使用二维轮廓仪获得基体及薄膜的表面粗糙度,通过扫描电子显微镜以及拉曼光谱对薄膜的表面形貌和结构成分进行分析,并采用X切割试验和摩擦磨损试验分别评估DLC薄膜的附着力和摩擦学性能。结果 基体表面粗糙度对薄膜的微观结构没有显著影响,但却对薄膜附着力以及摩擦学性能有较大的影响。薄膜附着力随着基体粗糙度的增加呈现先增大后减小的趋势,当基体表面粗糙度为1 100 nm时,DLC薄膜具有最强的附着力和最佳的摩擦学性能。此外,Cr中间层的引入对提高薄膜附着力和承载能力起到了积极的作用。结论 适当增加基体表面粗糙度可以增强DLC薄膜的附着力,改善薄膜的摩擦学性能。Cr中间层可以提高薄膜的承载能力,从而提高薄膜的耐磨性。     

电镀硬质氧化铝薄膜热残余应力测量

欲改善电镀氧化铝薄膜/铝合金基体体系的服役寿命,需从整体上掌握其力学性能。为此,分别制备了特殊的铝合金热残余应力试样和沉积夹具,采用硫酸阳极氧化法在铝合金基体上制备了10～60μm厚电镀硬质氧化铝,通过曲率法测试了试样的热残余应力,并分析了薄膜厚度与其热残余应力之间的关系。结果表明:10～60μm厚的电镀硬质氧化铝薄膜热残余应力为较小的拉应力,且随着厚度的增加,应力值呈线性下降趋势。     

工作压强对PECVD法制备DLC薄膜微观结构与力学性能的影响

采用脉冲等离子体增强化学气相沉积方法(Pulse-PECVD)于316L不锈钢基体上制备类金刚石(DLC)薄膜,研究不同工作气压对DLC薄膜的沉积速率、表面形貌、微观结构、纳米硬度、弹性模量以及结合强度的影响规律。结果表明:随沉积气压增大,薄膜的沉积速率随之增大,压强在3 Pa时沉积速率可高达1. 4μm/h;不同气压下沉积的DLC薄膜均体现出平整光滑的表面形貌和高于不锈钢基体3倍以上的纳米硬度;沉积气压为2 Pa时,DLC薄膜在拉曼光谱中具有最小的ID/IG值,对应最高的纳米硬度16. 1 GPa和弹性模量152. 7 GPa,以及最低的粗糙度和摩擦因数0. 206。      

不同过渡层对DLC薄膜力学性能和摩擦学性能的影响

薄膜与基体间的界面结合性能是决定薄膜性能发挥的关键要素。针对类金刚石薄膜(DLC)在硬质合金上结合力差的问题,采用线性阳极离子束复合磁控溅射技术在硬质合金YG8基体上设计制备了单层W过渡层、WC过渡层、双层W过渡层和三层W过渡层4种不同W过渡层的DLC薄膜,探讨了不同过渡层对DLC薄膜力学和摩擦学性能的影响。结果表明:不同过渡层结构的DLC薄膜结构致密,界面柱状生长随着层数增加及过渡层厚度的降低而打断,有利于改善薄膜的韧性。当为三层W过渡层时,DLC薄膜的断裂韧性达到最大值6.44 MPa·m1/2;与单层W过渡层相比,薄膜硬度有小幅下降,但薄膜内应力降低了55%,且膜/基匹配性更佳,结合强度高达85N,此时薄膜具有较低的摩擦因数和磨损率,表现出比较优异的抗磨减摩性能。     

热处理对两种铜膜结合强度的影响

采用PVD和CVD技术制备Cu/TiN/PI试样，研究表明，TiN薄膜可以有效地阻挡Cu向PI基板内部扩散，CVD工艺制备的Cu膜内部残余应力很小，Cu膜有相对高的结合强度；而PVD制备的Cu膜，在有TiN阻挡层存在的情况下，Cu膜内存在拉应力，拉应力降低了Cu膜结合强度，300℃退火可以消除膜内残余应力，结合强度提高。     

高功率等离子磁控溅射法制备含钛类金刚石碳膜(英文)

为了改善类金刚石碳膜的性能,采用高功率等离子磁控溅射法将含钛非晶碳薄膜沉积在304不锈钢基材上,气源为C2H2-Ar混合气体,金属钛为阴极靶材。为了改善附着力和降低残余应力,制备了含Ti/TiC/DLC多层结构的镀膜。利用GDS、XRD、SEM、Raman光谱法、纳米压痕仪和盘-销摩擦计研究基材偏压及基材与靶材的距离对薄膜性能的影响。结果表明,薄膜具有优良的粘合强度和韧性。     

Ti/Al过渡层对共掺杂类金刚石薄膜性能的影响

目的研究Ti/Al过渡层对不同溅射电流下的Ti/Al共掺杂DLC薄膜的成分、结构、机械性能和结合力的影响。方法采用线性离子束复合磁控溅射技术在316L基底上沉积含有Ti/Al过渡层的Ti/Al共掺杂DLC薄膜,利用场发射扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)、高分辨透射电镜(HRTEM)及共聚焦激光拉曼光谱仪分析了薄膜的界面形貌及键态结构。采用辉光放电光谱仪对样品成分进行深度分析,纳米压痕仪测量薄膜硬度及弹性模量,划痕测试系统测量膜基结合力,残余应力仪测量薄膜内应力。结果与未添加过渡层相比,添加Ti/Al过渡层对薄膜的结构和机械性能影响较小,且均在溅射电流为2.5 A时有最优的机械性能;然而,溅射电流为2.5 A时,添加过渡层使结合力从54.5 N提高到了67.2 N,提高了19%,残余应力从1.28 GPa降低到了0.25 GPa,降低了80%。结论 Ti/Al过渡层可缓解因DLC薄膜和基体的晶格匹配差异和膨胀系数不同而导致的高界面应力。在薄膜与基底界面,过渡层呈现典型柱状晶结构,可促进膜基界面间的机械互锁,显著改善薄膜与基体之间的结合力而不损伤其机械性能。     

热处理对PI基板铜薄膜金属化TiN阻挡层的影响

聚酰业胺(PI)材料具有介电常数低，分解温度高及化学稳定性好等优点，是很有前途的电子封装材料。Cu具有低的电阻和高的抗电迁移能力，足PI基板金属化的首选材料。采用物理气相沉积(PVD)方法在PI基板上沉积Cu薄膜，利用TiN陶瓷薄膜阻挡Cu向PI基板内部扩散。研究热处理条件下TiN陶瓷薄膜阻挡层的阻挡效果、Cu膜电阻变化以及Cu膜的结合强度，俄歇谱图分析表明TiN可以有效地阻挡Cu向PI内的扩散。300℃热处理消除了Cu膜内应力，提高了Cu膜的结合强度。     

CoCrMo合金表面掺金属类金刚石薄膜的摩擦学性能

采用非平衡磁控溅射结合阳极型气体离子源技术在CoCrMo合金表面制备掺钨类金刚石薄膜(WDLC)和掺钛类金刚石薄膜(Ti-DLC)。利用努氏显微硬度计、结合力划痕仪、摩擦磨损试验机、表面形貌仪和洛氏硬度计表征膜层的力学性能,并用扫描电镜分析磨损形貌,探讨薄膜磨损机理。结果表明:所制备的2种薄膜均具有典型的DLC薄膜特征,W-DLC薄膜的硬度、结合力和摩擦磨损性能均优于Ti-DLC薄膜,更适合于CoCrMo合金的表面强化处理;CoCrMo合金的磨损机制主要为粘着磨损和磨粒磨损,而Ti-DLC/CoCrMo和W-DLC/CoCrMo的磨损机制以滑动磨损为主伴随极少量的磨粒磨损;经DLC薄膜处理,摩擦因数从CoCrMo合金的0.578降低到0.2以下,磨损率也降低了2个数量级,大幅度地提高了CoCrMo合金的摩擦磨损性能。     

Bonding strength of DLC film on zirconia coating prepared by gas tunnel type plasma spraying

Bonding strength of diamond-like carbon (DLC) films on zirconia coatings prepared using a novel gas tunnel plasma spraying method has been studied and discussed. The emphasis is on the getting better characteristics of such doubly structured coatings (DSC) as comparing compared with properties of both components involved in the coatings. For the study of various failure mechanisms zirconia coatings of different thicknesses on aluminum substrates were prepared. The as-sprayed coatings were firstly polished and then subjected to deposition of DLC films. Adhesion of the DSC has been evaluated using a scratch test method. It has been found that the thicker coatings have higher hardness and lower porosity. The adhesion failures of DLC films on zirconia coatings (DSC) are caused by two different main mechanisms: (i) DLC films separation from the zirconia coatings, and (ii) DLC films breaking under stress load due to the brittleness of the material. In addition the adhesion failures are due to flaking of DLC films on the thinner zirconia coatings caused by a distortion of the aluminum alloy substrate coatings; and, chipping of DLC films themselves on the thicker zirconia coatings.     

类金刚石薄膜的摩擦性能及其应用

首先从成键结构的角度分析了DLC薄膜摩擦性能的由来,然后分别从DLC薄膜的沉积工艺(包括制备方法、气源种类和掺杂元素)、摩擦环境条件和基底材料选择等三方面入手,讨论了影响DLC薄膜摩擦性能的主要因素及其影响规律。经过总结发现,通过调节DLC薄膜的沉积工艺可以改变DLC薄膜中sp~2杂化碳的含量以及氢的含量,进而影响DLC薄膜的摩擦性能;真空、惰性气体和低湿环境有利于获得更好的摩擦效果;过渡层和偏压有利于提高DLC薄膜与基底之间的附着力,其摩擦性能也会得到提升。最后对DLC薄膜在机械加工及耐磨器件、光学和电子保护以及生物医学领域的应用进行了综述,并对应用过程中存在的两大问题——DLC薄膜的内应力和热稳定性进行了分析,归纳了一些具体的解决方案,并对DLC薄膜的发展趋势进行了展望。