多尺度强韧化碳基润滑薄膜的研究进展

随着海洋、空间、核能等苛刻环境工况下机械装备的发展,兼具高硬度、高承载能力、良好韧性及优异摩擦磨损性能的强韧化复合碳基润滑薄膜成为类金刚石薄膜的研究重点。文中系统归纳和评述了碳基薄膜的多元/多相复合、梯度多层、纳米多层、微/纳表界面织构化等强韧化关键技术及其强韧化机制。包括纳米晶—非晶复合结构的界面强化效应和晶界滑移强韧化;功能化梯度/多层结构膜基界面匹配、应力缓冲和微裂纹抑制强韧化;纳米晶—非晶类石墨结构、类富勒烯结构以及微/纳表面织构强韧化机制等。这些技术大幅改善了类金刚石薄膜的韧性,提高了薄膜抗疲劳磨损性能,使其能有效应用于水润滑、油润滑、高温、真空、特殊气氛以及沙尘等极端苛刻环境。文中指出强韧化碳基薄膜将向着应对极端苛刻环境的多尺度复合强韧化、适应复杂多变环境的智能化,以及满足未来空间需求的超长寿命方向发展。     

Cu对AlN/TiN-Cu复合多层膜微观结构和力学性能的影响

采用多弧离子镀膜设备制备了掺杂Cu的AlN/TiN-Cu纳米复合多层膜,利用FESEM、HRTEM和XRD分别表征了薄膜的微观结构和相组成,用压入法和划痕法确定了薄膜的硬度和膜/基结合力,研究了Cu对AlN/TiN-Cu复合多层膜微观结构和力学性能的影响。结果表明,Cu的掺杂对薄膜的微观结构有较大的影响。薄膜的平均晶粒尺寸随Cu含量的增加而逐渐减小。掺入少量Cu后,薄膜的硬度均有提高,但不同种类的薄膜有不同的临界载荷变化趋势,纳米复合单层薄膜的临界载荷有所增大,而纳米复合多层膜的临界载荷反而有所减小。     

掺杂类金刚石薄膜微观结构和摩擦学性能的研究进展

类金刚石(Diamond like carbon,DLC)薄膜具有高硬度、低摩擦系数、低磨损率的特点,已广泛应用于各行各业,但也存在内应力大、热稳定性差以及摩擦学性能对环境敏感等问题,制约了DLC薄膜的应用.在DLC薄膜中,掺入异质元素能够改变薄膜成分、微观结构和sp3杂化键含量,可有效地减小薄膜内应力,提高结合力并改善摩擦学性能.首先介绍了掺杂DLC薄膜的起源和制备方法,简要分析了各种制备方式的优缺点,并从掺杂元素在DLC薄膜中的存在形式和sp3杂化键含量两个方面,讨论了掺杂对DLC薄膜微观结构的影响,并简要介绍了掺杂对DLC薄膜机械性能的影响.金属元素掺入DLC薄膜后,以原子溶解、单质纳米晶或金属碳化物纳米晶的形式,分布于非晶基体中;非金属元素掺入DLC薄膜后,主要以原子溶解形式溶于非晶基体.随后,系统讨论了掺杂对DLC薄膜摩擦学性能的影响.S、Ag元素的掺入能够有效减小真空环境下DLC薄膜的摩擦系数;B、N、F、Si或过渡金属的掺入能够提高DLC薄膜的热稳定性,拓宽DLC薄膜的使用温度范围;Si、F、B以及钛等过渡金属元素的掺入能够降低DLC薄膜摩擦学性能对湿度的敏感性.最后,提出了多元素掺杂和多种方法联合应用是DLC薄膜未来的重点研究方向.     

纳米复合薄膜水润滑摩擦学性能的研究进展

评述了类金刚石基(DLC、a-C)、非晶氮化碳基(a-CNx)、过渡金属氮化物基(TiN、CrN)及其改性纳米复合薄膜的水润滑摩擦学性能,分析了微观结构、梯度结构、元素掺杂、对磨材料及摩擦参数对其水润滑摩擦磨损性能的影响,并揭示了水润滑中纳米复合薄膜存在的摩擦磨损机制,指出了三种纳米复合薄膜体系在水润滑中均可表现出优异的减摩抗磨特性,但与薄膜成分、层状结构、力学性能及对磨材料物理化学性能密切相关。一般而言,相比于过渡金属氮化物基薄膜,类金刚石基及非晶氮化碳基薄膜由于在水润滑中形成转移层和水合润滑层而呈现出更低的摩擦系数和磨损率。当选用的对磨材料易于发生摩擦水合反应时,形成的水合层起到的保护作用使得纳米复合薄膜均表现出了更低的磨损率。在保证薄膜未发生剥落而失效时,适当地加载载荷和滑移速度也是获得最优水润滑摩擦学性能的关键因素。为薄膜应用在水润滑器械作业提供了一定的参考,并展望了纳米复合薄膜水润滑摩擦学未来的研究方向。     

磁控溅射沉积Al/AlN纳米多层膜的摩擦学性能

纳米多层膜因具有优异的力学性能与抗摩擦磨损性能使其在摩擦学领域具有重要的应用价值。采用磁控溅射沉积法制备了Al、AlN单层薄膜与Al/AlN纳米多层膜,探讨了纳米多层化对薄膜的力学性能和摩擦学性能的影响。采用纳米压痕仪和摩擦磨损试验机测量评价薄膜的纳米硬度和摩擦学性能。结果表明:Al/AlN纳米多层膜具有良好的周期调制结构,多层膜中的大量界面能显著提高薄膜的力学性能与摩擦学性能。多层膜的硬度为8.8GPa,高于采用混合法则计算出的硬度值6.6GPa;多层膜具有软质Al层和硬质AlN层的交替结构,在摩擦过程中,硬质AlN层可以起到良好的承载作用,软质层可以起到良好的减摩作用。相对于Al单层薄膜或AlN单层薄膜,Al/AlN纳米多层膜具有较低的摩擦因数(0.15)和优异的抗磨损性能。     

铬掺杂碳基自润滑薄膜与铝合金的高温磨损机理

为了研究不同结构铬掺杂碳基薄膜在高温下与铝合金的磨损机理,采用非平衡磁控溅射在YT15刀具表面沉积Cr/CrC/DLC单周期和Cr/(CrC-DLC)_n多周期多层膜,在24、200和400℃下与A319和A390铝合金进行摩擦试验。采用扫描电子显微镜、原子力显微镜、纳米压痕仪、拉曼光谱仪、销盘磨损仪对薄膜的形貌结构、力学和摩擦学性能进行测试。研究表明:多周期多层膜结构打断薄膜柱状生长,提高膜基结合力。两种薄膜表面粗糙度和硬度分别为4.3 nm和5.4 nm、9.8 GPa和9.0 GPa。磨球表面转移层由硅、石墨以及剥落的薄膜碎片组成,连续的转移层降低摩擦因数;但随着温度升高,转移层的连续性被破坏,导致摩擦因数升高。在高温摩擦过程中,多周期多层膜磨损逐渐释放出DLC子膜层,通过DLC子膜层的石墨化转变来保持低摩擦因数,提高薄膜寿命。薄膜磨损由室温的磨料磨损转变为高温的粘着磨损和犁沟磨损,其中由于A390含有初晶硅使磨损以犁沟磨损为主。     

Co-C颗粒膜的结构、磁性能和GMR效应研究

采用直流磁控溅射技术,在n-Si(100)衬底上制备了Cox C100-x(x=2.5～50,at%)颗粒膜,并对薄膜的结构、形貌、磁性能和巨磁电阻(GMR)效应做了系统的研究。结果表明:制备态的Co-C薄膜为非晶结构,且表面光滑、颗粒尺寸及膜厚度均匀;随热处理温度的增加,Co成分在300℃逐渐开始晶化,400℃基本晶化完全,500℃度的时候膜层开始出现裂纹;拉曼光谱显示制备态薄膜为类金刚石(DLC)薄膜;X射线光电子能谱(XPS)分析表明,包埋在碳基薄膜中的Co掺杂纳米颗粒以单质形态存在,没有Co的碳化物出现,且Co掺杂没有促进碳膜的石墨化,Co-C纳米复合薄膜组成了一个互不相溶的金属/绝缘体体系;磁性能测试显示薄膜的饱和磁化强度(Ms)和矫顽力(Hc)与Co的含量和颗粒的晶化程度有密切关系;磁电阻测量结果表明Co2.5C97.5薄膜具有高达36%的正GMR效应,GMR效应遵循输运通道的转变机制。     

淀粉包覆纳米银粒子的简易合成及其抗菌性能

采用直流磁控溅射技术,在n-Si (100)衬底上制备了CoxC100-x(x=2.5～50,at％)颗粒膜,并对薄膜的结构、形貌、磁性能和巨磁电阻(GMR)效应做了系统的研究.结果表明:制备态的Co-C薄膜为非晶结构,且表面光滑、颗粒尺寸及膜厚度均匀;随热处理温度的增加,Co成分在300℃逐渐开始晶化,400℃基本晶化完全,500℃度的时候膜层开始出现裂纹;拉曼光谱显示制备态薄膜为类金刚石(DLC)薄膜;X射线光电子能谱(XPS)分析表明,包埋在碳基薄膜中的Co掺杂纳米颗粒以单质形态存在,没有Co的碳化物出现,且Co掺杂没有促进碳膜的石墨化,Co-C纳米复合薄膜组成了一个互不相溶的金属/绝缘体体系;磁性能测试显示薄膜的饱和磁化强度(Ms)和矫顽力(Hc)与Co的含量和颗粒的晶化程度有密切关系;磁电阻测量结果表明Co2.5C97.5薄膜具有高达36％的正GMR效应,GMR效应遵循输运通道的转变机制.     

TiAlN/CrAlN纳米结构多层膜的结构与性能

采用射频磁控溅射方法制备了单层TiAlN、CrAlN复合薄膜以及不同调制周期和不同层厚比(lTiAlN/lCrAlN)的TiAlN/CrAlN纳米结构多层膜.薄膜采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、显微硬度仪进行表征.结果表明:TiAlN、CrAlN复合薄膜和TiAlN/CrAlN多层膜均为面心立方结构,呈(111)面择优取向.TiAlN/CrAlN多层膜的择优取向与调制周期和层厚比无关.层厚比为1的TiAlN/CrAlN多层膜的硬度依赖于调制周期,在调制周期为8 nm时,达到最大;固定TiAlN的厚度为4 nm,改变CrAlN层的厚度,在研究范围内,多层膜的硬度随着CrAlN层厚度的增加而增加.探讨了多层膜的致硬机制.TiAlN/CrAlN多层膜抗氧化温度比其组成单层膜高了近200 ℃,并讨论了其抗氧化机制.     

类金刚石膜对CoCrMo合金摩擦性能的影响

目的研究类金刚石膜(DLC)在不同工况条件下的摩擦性能。方法使用磁控溅射技术,在CoCrMo合金表面沉积掺杂Cr元素的DLC薄膜。通过X射线衍射能谱和拉曼光谱对DLC膜表面的化学成分进行分析,采用扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)观察DLC膜的表面形貌,借助摩擦试验仪测试DLC膜在不同工况条件下的摩擦性能。结果薄膜表面呈现颗粒状结构,且薄膜表面粗糙度在10 nm左右,物相分析表明,DLC薄膜为非晶化结构。在牛血清白蛋白(BSA)和NaCl溶液润滑条件下,DLC/CoCrMo摩擦副的平均摩擦系数(COF)分别趋于0.08,磨损区域存在少量的刮痕;而在干摩擦条件下,摩擦系数曲线表现出由高到低的变化趋势,平均摩擦系数约为0.21,同时在销磨损表面能观察到石墨化转移层。当接触压力为1 MPa时,平均摩擦系数约为0.10;接触压力增加至8 MPa时,平均摩擦系数约为0.08。结论润滑条件下,DLC膜表面悬键被钝化,减小其与配副表面之间的相互作用力,因此摩擦系数较低;干摩擦条件下,石墨化转移层充当固体润滑层,最终导致摩擦系数呈现下降趋势。DLC薄膜对摩擦配副具有明显的减摩效果。     

多组分缓冲层W梯度掺杂DLC复合薄膜研究

用离子束辅助非平衡中频磁控溅射技术, 在Si, 高速钢或不锈钢基体上分别沉积得到了具有多组分过渡金属层缓冲的W梯度掺杂类金刚石碳(DLC)膜, 研究了W靶电流对DLC膜组成、结构和性能的影响. 实验表明, 随着W靶电流增大, 薄膜中W掺杂量增加, W的碳化物含量增加, sp³结构含量减少; 薄膜的纳米硬度和弹性模量逐渐增大, 且材料抗塑性参数H/E随之增大; 随W靶电流增大, 材料与基体结合力增强, 划痕实验临界载荷在80-100 N之间, 材料摩擦系数增大; 但磨损率因W掺杂而明显减小, 且随W靶电流增大而减小. 样品表面元素分布均匀, 粗糙度(R_a)较小, R_a值在7.56-15.8 nm之间.     

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。     

Magnetoelectric CoFe2O4/Pb(Zr0.53Ti0.47)O3 composite thin films of 2-2 type structure derived by a sol-gel process

CoFe₂O₄/Pb(Zr_0.53Ti_0.47)O₃ (CFO/PZT) magnetoelectric composite thin films of 2-2 type structure have been prepared onto Pt/Ti/SiO₂/Si substrate by a sol-gel process and spin coating technique. The optimal annealing process of composite thin films was determined by using X-ray diffraction (XRD) and differential scanning calorimetry (DSC). It is found that the amount of the citric acid and concentration of CFO starting precursor solution have great impact on morphologies of composite thin films. Subsequent scanning electron microscopy (SEM) investigations show that the prepared thin films exhibit good morphologies and compact structure, and cross-sectional micrographs clearly display a multilayered nanostructure of multilayered thin films. The purpose of this work is to determine the optimal annealing processes of composite thin films and to prepare magnetoelectric composite thin films with good microstructure. It is shown that the films exhibit both good magnetic and ferroelectric properties, as well as a magnetoelectric effect.     

选择性键合金属-类金刚石复合薄膜的性能研究

目的研究具有选择性键合作用的掺杂金属元素(Cu、Al、Ti)对类金刚石(DLC)薄膜的结构和摩擦学性能的影响。方法以高纯石墨及其与金属复合靶作为靶材,采用离子源镀膜技术分别在n-型(100)单晶硅片和抛光304不锈钢片基体上制备金属-DLC复合膜。采用514.6 nm氩离子激发源的Raman光谱仪,对金属-DLC复合薄膜进行拉曼光谱分析。采用努氏硬度计和表面轮廓仪测量计算薄膜的硬度和残余应力。采用原子力显微镜(AFM)观察DLC薄膜的表面形貌和结构。使用球-盘滑动磨损试验机对DLC复合薄膜进行摩擦学性能分析。结果类金刚石薄膜中掺入不同金属元素掺杂后,摩擦系数保持相对稳定,但磨损率存在较大差异。无掺杂DLC膜中的sp~3键含量最高,薄膜硬度高,残余应力大,在摩擦过程中易脱落。Ti-DLC金属复合膜的表面质量最好,结构致密,残余应力释放的同时保持较高的硬度,测得其磨损率最低,为0.13×10~(-15) m~3/nm。结论通过在DLC膜中掺杂不同键合能力的金属元素能够调控DLC薄膜的微观结构,改善薄膜的力学性能(硬度、残余应力),提高薄膜的抗磨损性能。薄膜的摩擦学性能与薄膜的微观结构与金属掺杂元素的存在形态有关。     

中频磁控溅射制备类金刚石薄膜的功率因素研究

采用SP0806AS中频磁控溅射镀膜机,在硅(100)和高速钢基体上,采用双石墨靶在不同功率下沉积了类金刚石薄膜.研究表明,在功率为5～7 kW下薄膜具有较低的ID/IG比;所得薄膜表面平整,粗糙度Ra值在1.5～2.8 nm之间,薄膜厚度随功率增加而增大;在100～200 nm Ti膜作为过渡层条件下,薄膜纳米硬度和弹性模量随功率增加呈先增大后减小趋势,硬度/杨氏模量比值先增大后减小,当功率为7 kW时具有较高值;划痕实验临界载荷随功率增加先增大后减小,最大可大于50 N;薄膜的摩擦系数较小,平均摩擦系数可小于0.15;在50 g载荷下,薄膜磨穿的时间超过300 min.确定SP0806AS中频磁控溅射镀膜机沉积类金刚石薄膜的最佳功率范围是5～7 kW.     

Antimicrobial properties of diamond-like carbon-silver-platinum nanocomposite thin films

Silver and platinum were incorporated within diamond-like carbon (DLC) thin films using a multicomponent target pulsed laser deposition process. Transmission electron microscopy of the DLC-silver and DLC-platinum composite films reveals that these films self-assemble into particulate nanocomposite structures that possess a high fraction of sp ³-hybridized carbon atoms. Nanoindentation testing of DLC-silver nanocomposite films demonstrates that these films possess hardness and Young’s modulus values of approximately 35 and 350 GPa, respectively. DLC-silver-platinum films demonstrated exceptional antimicrobial properties against Staphylococcus and Pseudomonas aeruginosa bacteria. This paper was presented at the International Symposium on Manufacturing, Properties, and Applications of Nanocrystalline Materials sponsored by the ASM International Nanotechnology Task Force and TMS Powder Materials Committee on October 18–20, 2004 in Columbus, OH.     

不同掺杂对类金刚石薄膜的影响

目的研究单掺Si和共掺Ag、Si对类金刚石薄膜的结构、摩擦学性能和耐腐蚀性能的影响。方法以高纯石墨靶、石墨与金属复合靶、Si靶作为靶材,采用射频增强磁控溅射技术制备不同掺杂种类的薄膜。通过XPS、拉曼光谱仪对薄膜的化学组成和结构进行分析,通过纳米压痕仪、摩擦磨损试验机、电化学工作站等,对薄膜的力学性能、摩擦学性能及耐腐蚀性能进行了系统研究。结果 Si元素单掺DLC会引起薄膜中sp~3C含量增加。Ag、Si共掺DLC后,由于Ag以金属相分布在薄膜中,并促进sp~2相的形成,导致sp~3C含量降低。掺杂元素后的DLC薄膜,硬度下降,但韧性提高,其中Ag、Si共掺的DLC薄膜的弹性恢复系数达到79%。此外,Ag、Si共掺DLC薄膜在多种气氛(Ar、O_2、N_2)中都具有优异的摩擦学性能,磨损寿命均超过30 min,其中在N_2气中的摩擦系数最低(0.1),并在NaCl溶液中的腐蚀电流密度比304不锈钢基体降低了近2个数量级,具有良好的耐腐蚀性。结论 Si与Ag共掺DLC薄膜较Si单掺薄膜具有更好的摩擦环境适应性和耐腐蚀性能。     

常用碳基固体润滑薄膜的研究现状与展望

首先从碳基固体润滑薄膜的应用需求与成本效益出发,探讨了研究碳基固体润滑薄膜的迫切要求和重要意义,然后对类金刚石(DLC)薄膜、类富勒烯(FLC)薄膜及石墨烯薄膜三类最常用的碳基固体润滑薄膜的研究现状进行了较详细的介绍。其中,重点介绍了DLC薄膜的三种减摩抗磨机理,探讨了掺杂元素改性对DLC薄膜硬度、摩擦系数和磨损率等多个方面的影响,并指出外部因素(基体材料、过渡层和应用环境等)对DLC薄膜性能的重要作用。探讨了掺氢、掺氟和掺氮对FLC薄膜构性转变和摩擦学性能的影响。总体来说,氟掺杂导致FLC结构变化,并显著改变薄膜硬度;掺氮会诱导类富勒烯微结构的增加;掺氢FLC薄膜热处理后可达到超润滑状态。总结了石墨烯薄膜制备工艺的发展、石墨烯基复合薄膜的摩擦学性能和石墨烯薄膜在不同基体材料的应用。最后,指出了碳基润滑薄膜领域亟待解决的关键难题,并对未来的研究方向做出了预测。     

V and N co-doped diamond-like carbon films deposited by pulsed bias arc ion plating

V and N co-doped diamond-like carbon (DLC–VN) composite films were deposited on cemented carbide substrates by pulsed bias arc ion plating. The effects of V and N contents on the structures and properties of the films were investigated by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Raman spectra, grazing incident X-ray diffraction (GIXRD), transmission electron microscopy (TEM) and nano-indentation, respectively. The as-deposited films consist of a DLC–VN nanocomposite, where VN nanograins are embedded in an amorphous carbon matrix. The V and N contents have significant influences on the relative proportion of VN with respect to DLC. A proper concentration of VN nanocrystals in DLC induces even the formation of nano-diamond. The DLC–VN films have higher hardnesses than pure DLC films, which could be attributed to the nanocomposite structure.     

Use of diamond-like carbon with tungsten (W-DLC) films as biocompatible material

Diamond-like carbon (DLC), also known as amorphous hydrogenated carbon (a-C:H), are a class of materials with excellent mechanical, tribological and biological properties. When the DLC films are enhanced with other elements, all of these properties can be changed within a certain range.In this work, reactive magnetron sputtering was used to deposit W-DLC (hydrogenated tungsten carbide) films on Ti6Al4V (implant material). Many films were made using pure tungsten (99.99%) target and different plasmas processes, with different ratio among argon and methane. It was possible to change the films composition (from pure amorphous carbon to carbon enhanced with tungsten) according to ratio of argon and methane plasma. Between all films processed, the carbon films enhanced with tungsten showed good results in the “in vitro” cytotoxicity testing. Raman spectroscopy was used to analyze the chemical bonds kinds and the chemical bonds quantities. The Rutherford Back Scattering (RBS) was used to analyze the films compositions. The chemical inertness was analyzed by scanning voltametry. W-DLC thin films obtained in these processes have low roughness, high chemical resistance, good adhesion and show a high biocompatibility, when compared with common DLC thin films. Hence we have concluded that the tungsten concentrations in the DLC films make an important role to improve the properties of the DLC layers.