类金刚石纳米薄膜的表面摩擦规律及磨损模型

为了研究类金刚石（Diamond-like carbon,DLC）薄膜的表面摩擦机制及磨损规律,首先通过对晶体碳高温熔化和快速淬火的方式,使用分子动力学模拟制备出DLC薄膜,然后利用半球形压头对薄膜表面进行摩擦刻划。制备得到的DLC薄膜密度为2.72 g·cm^-3,碳原子sp²、sp³杂化比例分别为37.1%和60.4%。摩擦结果表明,较低压力载荷下磨损率随着载荷力增加而线性增加,与宏观Archard模型一致;摩擦速度的不同会导致材料被加工表面应力分布及切削深度不同,造成磨损率随着摩擦速度的增加而下降,与实验结果相符;当薄膜含有Si原子夹杂且原子含量从0%增加至25%时,磨损率则先上升后下降。最后建立在压头固定载荷为50 nN下描述摩擦速度、材料夹杂含量与磨损率三者关系的磨损模型,建立的磨损模型与仿真模拟相对误差在10%以内;利用模型得到在压头的载荷和摩擦速度不变时,薄膜磨损率最小值对应的Si夹杂含量为7.2%,这一模型为工程在线预测夹杂含量提供了较简单方便的手段。     

中频脉冲非平衡磁控溅射技术制备类金刚石膜的结构与性能

利用中频脉冲非平衡磁控溅射技术在载玻片上制备了类金刚石(DLC)薄膜,研究了沉积气压对薄膜厚度、微观结构、机械性能和光学性能的影响。厚度测试结果表明,DLC膜厚度随沉积气压的增加而增加。X射线光电子能谱测试结果表明,当沉积气压由0.18Pa增加到1.50Pa时,DLC薄膜中sp~3杂化碳含量随沉积气压的增加而减少。纳米压痕和椭偏仪测试结果表明,DLC膜的纳米硬度、折射率均随沉积气压的增加而减小。采用浅注入模型分析了沉积气压对薄膜生长和键合结构的影响。以上结果表明,沉积气压对DLC膜的厚度、sp~3杂化碳含量、机械与光学性能具有较大的影响。     

脉冲真空弧源沉积类金刚石薄膜耐磨特性研究

本文利用脉冲真空弧源沉积技术在Cr17Ni14Cu4不锈钢和Si(100)基体上制备了类金刚石(DLC)薄膜,研究在不同基体偏压下,DLC薄膜的结构与性能.采用拉曼光谱和X射线光电子能谱(XPS)研究DLC薄膜的原子结合状态,利用CSEM销盘摩擦磨损试验机研究其耐磨性,利用HXD1000B显微硬度仪测试其显微硬度,并采用压痕法评价其结合力.研究结果表明:DLC薄膜与基体结合牢固.随着基体偏压的提高,DLC薄膜内sp3键含量增大,薄膜硬度提高.Cr17Ni14Cu4不锈钢表面沉积DLC薄膜后,耐磨性大幅度提高,本文探讨了DLC薄膜的耐磨机理.     

锗掺杂类金刚石薄膜特性研究

为了降低类金刚石(DLC)薄膜的应力,使用脉冲真空电弧离子镀(PVAD)和电子束热蒸发相结合的复合沉积技术,在Si基底上制备了一系列不同锗含量(原子百分比)的Ge-DLC薄膜样片,研究了锗含量对DLC薄膜光学特性和力学特性的影响。研究结果表明:在1~5μm波段,当锗掺杂含量小于25%时,对DLC薄膜光学常数的影响不大;随着Ge含量的增加,DLC薄膜的折射率和消光系数都略微增大。随着DLC薄膜中Ge含量的增加,薄膜的内应力和硬度均有所降低。当DLC薄膜中Ge含量约为8%时,Ge-DLC薄膜的内应力从6.3降至3.0 GPa,而硬度仅从3875减小为3640 kgf/mm2,几乎保持不变。硅基底上单面沉积Ge的含量为8%的DLC薄膜在红外3~5μm波段的透过率峰值约为63.15%。     

衬底负偏压对线性离子束DLC膜微结构和物性的影响

采用一种新型线性离子束PVD技术制备出大面积类金刚石薄膜(DLC膜),研究了衬底负偏压对薄膜微结构和物性的影响.结果表明:制备出的类金刚石薄膜在300 mm×100 mm范围内纵向厚度均方差约10-12 nm,横向薄膜厚度均方差约2-4 nm.随着衬底偏压的提高,薄膜中sp~3键的含量先增加后减小,在衬底偏压为-100 V时sp~3键的含量最大;DLC膜的残余应力、硬度和弹性模量与sp~3键的含量呈近似线性的关系,在衬底偏压为-100 V时其最大值分别为3.1 GPa、26 GPa和230 GPa.DLC薄膜的摩擦学性能与薄膜中sp~3碳杂化键的含量密切相关,但是受衬底偏压的影响不大,其摩擦系数大多小于0.25.偏压对磨损的影响很大,在偏压比较低(0～-200 V)时,薄膜的磨损率约为10~(-8)mm~3/N·m,偏压升高到300 V磨损率急剧提高到10~(-7)mm~3/N·m.     

射频与直流磁控溅射制备DLC薄膜的工艺研究及特性对比

采用直流与射频磁控溅射技术,用高纯石墨在单晶硅(100)表面制备了类金刚石薄膜(DLC).采用拉曼光谱、扫描电镜分析了薄膜的结构、表面和截面形貌,以及与溅射工艺的关系,并且对溅射过程中粒子输运机理进行了解释.结果表明,2种溅射方法制备的薄膜均含有相当的sp3杂化碳原子.射频磁控溅射沉积的DLC薄膜所含sp3杂化碳原子的量要高于直流磁控溅射沉积的DLC薄膜,且薄膜质量优于直流磁控溅射沉积的DLC薄膜.     

用侧向力显微镜表征纳米级DLC膜摩擦性能

本文用侧向力显微镜(Lateral Force Microscope,LFM)研究不同厚度类金刚石(Diamond-Like Carbon,DLC)膜的摩擦性能.对厚度为153.4 nm,64.9 nm,12.07nm DLC膜摩擦力和法向力的关系进行研究,实验表明施加较低载荷,摩擦力和法向力成线性关系,符合Amontons's定律;而膜厚为4.48nm、2.78 nm样品由于粗糙度、峰态和偏态的差异导致摩擦力和载荷关系不明显,研究指出针尖和薄膜的表面接触可以简化为Tomlinson模型,借助原子晶格振动的无损摩擦机理解释了这一现象.     

电弧离子镀CrAlN-DLC硬质复合薄膜的成分、结构与性能

为了改善CrAlN薄膜的摩擦性能, 本研究在增强磁过滤脉冲偏压电弧离子镀设备上, 用分离靶弧流调控技术在硬质合金基体上分别制备了不同成分的CrAlN-DLC硬质复合薄膜, 并采用不同手段表征了薄膜的表面形貌、成分、相结构以及力学和摩擦性能。结果表明, 不同成分薄膜表面均平整致密, 膜厚均在1.05 μm左右。随着靶弧流比I_C/I_CrAl的升高, 薄膜中碳的原子分数由33.1%升至74.6%。薄膜的相结构主要由晶体相和非晶相复合组成, 其晶体相主要为c-(Cr,Al)N相, 且随着碳含量增大晶体相减少、晶粒尺寸减小, 其非晶相主要为DLC, 其中sp²/sp³的比值随碳含量增大而减小。相应地, 薄膜的硬度随着碳含量增大而提高, 当碳的原子分数为74.6%时, 达到最大值(26.2±1.4) GPa, 且该成分点处薄膜摩擦系数也降至最小值0.107, 磨损率仅为3.3×10^-9 mm³/Nm。综合而言, 当非晶DLC相最多时, CrAlN-DLC复合薄膜的综合性能达到最佳, 较之CrAlN薄膜, 摩擦性能显著提高。     

中频磁控溅射沉积DLC/TiAlN复合薄膜的结构与性能研究

采用中频非平衡磁控溅射沉积工艺,并施加霍尔离子源辅助沉积,在高速钢W18Cr4V及单晶硅基体上制备了梯度过渡的DIE/TiAlN复合薄膜.利用扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)、显微硬度计、摩擦磨损仪等分析检测仪器对DLC/TiAlN复合薄膜的表面形貌、晶体结构、显微硬度、耐磨性等性能进行了检测分析.实验及分析结果表明:DLC/TrAlN薄膜平均膜厚为1.1μm,由于薄膜中的Al含量较多,使得复合薄膜的表面比DLC薄膜的表面要粗糙一些;通过对复合薄膜表层的XPS分析可知,ID/IG为2.63.由XPS深层剖析可知,DLC/TiAlN薄膜表层结构与DLC薄膜基本相同,里层则与TiAlN薄膜相似.在梯度过渡膜中,复合膜层之间的界面呈现为渐变过程,结合的非常好.DLC/TiAlN薄膜的显微硬度为2030 HV左右.与DLC薄膜显微硬度接近,低于TiAlN薄膜的显微硬度.但是DLC/TiAlN薄膜的耐磨性要好于TiAlN薄膜和DLC薄膜;DLC/TiAlN薄膜的耐腐蚀性能略好于DLC薄膜.     

射频磁控溅射制备类金刚石薄膜的特性

采用射频磁控溅射技术,用高纯石墨靶在单晶硅片、抛光不锈钢片上制备了类金刚石薄膜(DLC)。采用Raman光谱、原子力显微镜、显微硬度分析仪,表征了类金刚石薄膜的微观结构、表面形貌、硬度。结果表明,制备的类金刚石薄膜中含sp2、sp3杂化碳键,具有典型的类金刚石结构特征。计算表明,对应sp3杂化碳原子含量的ID1IG为3.18;薄膜的表面十分平整光滑,表面粗糙度极低,平均粗糙度Ra为0.17 nm;薄膜硬度可以高达30.8 GPa。