非平衡磁控溅射结合电弧离子镀制备掺杂DLC硬质膜性能研究

将非平衡磁控溅射和电弧离子镀工艺相结合，并使用霍尔离子源辅助，制备了过渡层为Cr、掺杂Ti和N的DLC薄膜。对DLC薄膜的表面形貌、内部结构、力学性能以及电学性能进行了分析测试，结果表明：膜层中含有sp^2键和sp^3键结构，硬度达到HV（20g）2600以上，摩擦因数接近0．1，电阻高于2MΩ。     

几种薄膜材料与血液的界面张力比较

利用不同方法制备了Ti、ZrN、TiO2、DLC、MPC、TiN以及CNX7种薄膜.利用静滴接触角/界面张力测量仪测量了这7种薄膜与丙三醇、甲酰胺、溴代萘三种液体的固液接触角;根据测得的接触角计算了薄膜的表面自由能,并进一步比较了它们与血液的界面张力.结果表明:MPC和CN0.10薄膜具有较低的固体表面自由能,Ti、ZrN和TiO2薄膜与血液组分界面张力值相对较低.CN0.10薄膜对于纤维蛋白原的吸附较少,与血液组分交互反应也较弱,是潜在的抗凝血材料.     

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。     

硼掺杂DLC薄膜在海水环境中的腐蚀磨损性能

目的 研究硼（B）掺杂对类金刚石（DLC）薄膜在人工海水介质中耐腐蚀性能和摩擦磨损性能的影响。方法 利用非平衡磁控溅射的方法,通过控制碳化硼靶材和石墨靶材电流,在304不锈钢基底表面沉积了一种无掺杂DLC薄膜和两种不同B含量的DLC薄膜（B的原子数分数分别为7.23%、13.27%）。采用扫描电子显微镜、拉曼光谱仪、纳米压痕仪、划痕仪、摩擦实验机对薄膜的化学成分、显微结构、纳米硬度、结合力及摩擦性能进行研究。通过测试薄膜在人工海水介质中的静态极化曲线和交流阻抗谱以及监测薄膜在摩擦前后和摩擦过程中的开路电位变化,来研究薄膜在人工海水中的摩擦学和耐腐蚀性能。结果 与未掺杂的DLC薄膜相比,掺杂B原子数分数为7.23%的DLC薄膜的硬度和弹性模量变化不明显,但ID/IG增大,与基底的结合力增大到36 N（无掺杂DLC薄膜为20 N）,自腐蚀电位升高,自腐蚀电流密度减小,极化电阻增大,并且在人工海水介质中的摩擦系数降低了10.7%,磨损量降低了37.0%,开路电位大幅升高。掺杂B原子数分数为13.27%的DLC薄膜的摩擦学及耐蚀性能则大幅度下降。结论 在DLC薄膜中掺杂适量的B有助于提高DLC薄膜在人工海水介质中的耐腐蚀性能和磨蚀性能。     

Ti6Al4V合金上类金刚石膜的摩擦学性能及腐蚀行为

采用离子束沉积技术在医用Ti6Al4V合金表面制备类金刚石薄膜（DLC），利用原子力显微镜、Raman光谱、X射线光电子能谱（XPS）及UMT-2摩擦磨损试验机对薄膜的形貌、结构、摩擦学性能进行表征。采用动电位极化对涂层前后基底的耐腐蚀性能进行测试。结果表明：制备薄膜为类金刚石碳结构，基底偏压对薄膜形貌、结构有较大影响；偏压为–100 V时制备的薄膜表面粗糙度低（6.5 nm），sp3/sp2 比值高，摩擦学性能优异；经DLC膜保护的合金基底耐腐蚀性能获得明显改善。     

双弯管磁过滤阴极真空弧技术沉积超厚多层钛掺杂类金刚石膜

极端工况对关键部件涂层的性能要求较高,作为常用涂层,薄类金刚石(Diamond-like carbon,DLC)膜因其厚度的局限性已不能满足日益增长的性能需求,因此超厚DLC膜的制备工艺具有较大的现实意义。采用双弯管磁过滤阴极真空弧沉积技术制备多层Ti掺杂DLC膜,并通过显微维氏硬度计、摩擦磨损试验仪、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、能谱仪(EDS)、透射电子显微镜(TEM)、X光电子能谱仪(XPS)、X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪(Raman)等对膜的结构和性能进行表征。结果表明:薄膜的沉积速率最高可达0.40μm/min;随着沉积过程中C2H2流量的增加,Ti掺杂DLC膜中超硬Ti C相的相对含量降低,因此导致膜硬度降低,同时热稳定性变差;通过金属掺杂以及多层复合结构的方法能够有效制备低内应力的DLC膜,同时实现超厚DLC膜(最高可达42.3μm)的制备。     

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.     

钛合金表面大气压等离子体枪制备类金刚石薄膜

在大气下,采用大气压介质阻挡放电(DBD)等离子体枪在低温下(350℃),以甲烷为单体,氩气为工作气体,在Ti6Al4V钛合金表面制备一层类金刚石薄膜(DLC),以期改善钛合金表面摩擦学性能。利用激光拉曼(Raman)光谱和X射线光电子能谱(XPS)分析了所制备DLC薄膜的结构;利用扫描电子显微镜(SEM)观察DLC薄膜的表面形貌;利用划痕仪测量了DLC薄膜与基体的结合力;利用球-盘摩擦磨损实验仪对DLC薄膜的耐磨性能进行了研究。结果表明:在本实验工艺条件下沉积的类金刚石薄膜厚度约为1.0μm,薄膜均匀且致密,表面粗糙度Ra为13.23nm。类金刚石薄膜与基体结合力的临界载荷达到31.0N。DLC薄膜具有优良的减摩性,Ti6Al4V表面沉积DLC薄膜后摩擦系数为0.15,较Ti6Al4V基体的摩擦系数0.50明显减小,耐磨性能得到提高。     

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。     

掺Ti量对类金刚石薄膜机械性能的影响

采用非平衡磁控溅射技术,通过改变Ti靶溅射电流,在不锈钢衬底表面沉积了不同掺Ti量的类金刚石薄膜(Ti-DLC),研究了掺Ti量对薄膜的显微硬度、弹性模量、膜/基结合强度、断裂韧性及摩擦磨损行为的影响。结果表明:DLC薄膜掺杂Ti后,硬度明显提高,且随着Ti靶溅射电流的增大,薄膜硬度先增加、后降低,Ti靶溅射电流为1.5A时,薄膜硬度最高;掺杂适量的Ti,可以明显改善DLC薄膜的膜/基结合强度和断裂韧性,并能明显降低DLC薄膜的摩擦系数。     

含氢DLC膜的疏水性研究

目的：通过疏水性质的研究,证明源电极式和浸入式 PECVD 方法制备含氢 DLC 膜存在结构和性质上的差别,并且证明浸入式PECVD方法制备的含氢DLC膜更适于需要强疏水性的表面改性应用。方法在PECVD腔体中通入甲烷和氢气混合气体,同时在面对源电极的绝缘样品架上放置石英基片并沉积类聚合物DLC膜;在源电极上放置石英基片并沉积常规含氢DLC膜。在PECVD腔体中通入乙炔、氢气和四氟化碳混合气体,在面对源电极的绝缘样品架上放置石英基片并沉积掺氟 DLC 膜。改变气体压强和射频功率,生长一系列含氢DLC膜。利用紫外可见近红外光度计测试DLC膜的透射谱,扫描电子显微镜及原子力显微镜测试其表面形貌。利用接触角测量仪测试两种含氢DLC和一种掺氟DLC膜表面与水、甘油、乙二醇的接触角,并计算其表面能。比较两种含氢DLC膜接触角和表面能的差别,并根据类聚合物DLC膜的微观结构分析可能的原因。比较掺氟和不掺氟DLC膜的接触角并讨论比较结果。结果类聚合物DLC膜的接触角和表面能与具有相同光学带隙的常规含氢DLC膜存在明显差异。类聚合物DLC膜的接触角更大,表面能更低,因而具有更强的疏水性。类聚合物和常规含氢DLC膜与蒸馏水的接触角最大分别为91.2°和79.2°。类聚合物DLC膜中的碳原子具有更高的氢化率,可能是它表面能低和疏水性好的原因。掺氟DLC膜的接触角比具有相同带隙的类聚合物和常规含氢DLC膜都低,这与文献报道的掺氟能提高接触角的现象完全相反。结论类聚合物DLC膜的疏水性更强。结合其更小的内应力、更宽的光学带隙范围和更快的生长速度等特征,使它在医疗、光学保护涂层等领域具有更强的应用性。浸入式 PECVD 方法生长的掺氟 DLC 膜不但未提高反而降低了 DLC膜的疏水性,需要更多的研究来揭示其中的原因。     

Hydrophobic diamond films

The peculiarities of wettability of diamond that was obtained in a nanostructured form as ultrananocrystalline diamond (UNCD) films by deposition from a gas phase are considered. Surface hydrogenation leads to hydrophobicity: advancing contact angle θ for UNCD films reaches 106 ± 1° (for diamond single crystals θ = 93°). Even higher values of θ equal to 124 ± 3° were detected for nanoporous samples of UNCD, in which a graphite-like component was removed by etching. High hydrophobicity is achieved owing to the specific surface morphology of the nanostructured diamond (anisotropic, with high content of nanopores) and chemical modification, which on the whole provides for very low values of free surface energy of the films. It was shown that laser-drilled microholes in polycrystalline diamond also can enhance the hydrophobicity. The wetting behavior of the nanostructured surfaces agrees well with the Cassie-Baxter equation for heterophase porous surfaces. The oxidation and hydrogenation of UNCD films allows controlling of θ in considerably wider ranges compared to single crystal diamond.     

用离子源技术制备类金刚石膜研究

采用无灯丝离子源结合非平衡磁控溅射的方法,大面积地在不同基体上制备了光滑、均匀的类金刚石(DLC)膜层,用SEM、Raman、XPS、硬度计、划痕仪等手段分析和研究了膜层的形貌、结构及部分性能。结果表明:钛的掺入,有利于减少内应力、提高膜/基结合力,膜层的综合性能好,更适合于精密器件的表面改性。     

Analysis of diamond-like carbon and Ti/MoS2 coatings on Ti–6Al–4V substrates for applicability to turbine engine applications

Ti–6Al–4V substrates have been coated by diamond-like carbon (DLC) films, with no surface pretreatment, and have been coated by Ti/MoS₂ films, with a simple surface pre-cleaning. The DLC films were deposited by planar coil r.f. inductively-coupled plasma-enhanced chemical vapor deposition (r.f. ICPECVD); the Ti/MoS₂ films were deposited by magnetron sputtering. Both the DLC and Ti/MoS₂ films were characterized by pull tests, hardness tests, scanning electron microscopy (SEM), and wear tests (pin-on-disk and block-on-ring) to compare their adhesion, hardness, surface topology, and wear properties to plasma-sprayed Cu–Ni–In coating currently used for turbine engine applications. The DLC films were easily characterized by their optical properties because they were highly transparent. We used variable-angle spectroscopic ellipsometry (VASE) to characterize thickness and to unequivocally extract real and complex index of refraction, providing a rapid assessment of film quality. Thicker coatings yielded the largest hardness values. The DLC coatings did not require abrasive pretreatment or the formation of bond-layers to ensure good adhesion to the substrate. Simple surface pre-cleaning was also adequate to form well-adhered Ti/MoS₂ on Ti–6Al–4V. The results show that the DLC and Ti/MoS₂ coatings are both much better fretting- and wear-resistant coatings than plasma-sprayed Cu–Ni–In. Both show excellent adhesion to the substrates, less surface roughness, harder surfaces, and more wear resistance than the Cu–Ni–In films.     

类蝴蝶翅膀表面微纳结构的制备及其疏水性

在金属表面构筑微纳米粗糙结构后以低表面能物质修饰,可以获得超疏水的金属表面,对实现防水、防腐及表面自清洁等功能具有重要的意义。以钛片为基底,利用简单易行且低成本的喷砂-酸蚀法,对其进行粗糙化处理,并使用低表面能物质氟碳树脂进行表面改性,获得了超疏水性表面。测量了试样表面与蒸馏水的静态接触角,将试样置于空气、模拟海水、质量分数为3%的NaOH和HCl溶液中进行了耐环境测试,观察了试样表面的微观形貌。结果表明:在光滑的钛基底上用氟碳树脂修饰后,得到的疏水表面接触角仅为103°;而钛片表面经喷砂-酸蚀后,再利用氟碳树脂进行疏水化修饰,得到与水接触角为156°的超疏水表面。经表面粗糙化处理和低表面能物质修饰后得到的钛基底上形成了类蝴蝶翅膀表面微纳结构的蜂窝状超疏水表面,具有优异的耐环境性和良好的自清洁效果。     

电沉积法制备Co–LDHM超疏水膜及性能研究

目的 采用电沉积法在不锈钢网上构筑稳定的钴层状双氢氧化物微球(Co–LDHM)超疏水薄膜。方法 首先,通过第1次电沉积在不锈钢网上制备出ZIFs纳米片阵列结构(ZIF–NFA),并以此为牺牲模板,然后在第2次电沉积作用下制备出微纳米尺寸的Co–LDHM,最后通过浸泡硅烷降低其表面能。通过溅射试验、耐磨性实验、油水分离实验及电化学试验,分别评价经超疏水改性后不锈钢网的抗污、耐摩擦、油水分离及耐蚀性能,并通过接触角,用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、傅里叶红外光谱仪(FTIR)对不锈钢网表面的疏水程度及膜表面的形貌与结构进行分析。结果 经两步电沉积处理后的不锈钢网表面类似浴球状,具有微米/纳米多级表面形貌结构;接触角测试表明,所制备的薄膜呈现出良好的超疏水性能,静态接触角达到159.4°±2°;经过30个耐摩擦实验周期,其表面接触角为141.3°±2°,仍具有较高的疏水性;油水分离效率均大于97%,重复20次以上分离效率仍保持在96%,且具有一定耐蚀性能和良好的抗污性。结论 通过两步电沉积法构筑的Co-LDHM超疏水不锈钢网具有优异的超疏水性能,为MOFs在制备超疏水材料方面的应用提供了一个新的思路。     

Use of near atmospheric pressure and low pressure techniques to modification DLC film surface

Diamond-like carbon (DLC) films have been use in numerous industrial applications due to its mechanical properties such as low friction coefficient, high hardness, and high adherence on different substrate materials. It has been demonstrated that the DLC surface can be modified with oxygen plasma treatment. The purpose of this paper is to study two kinds of surface treatments (atmospheric and low pressures) using oxygen gas for different etching exposure times in DLC films. Plasma durability along the time was also evaluated. DLC films were deposited using plasma enhanced chemical vapor deposition technique. The properties of DLC treated for both techniques in different exposure times were investigated through Raman, AFM and contact angle measurements. D band position slightly shifts toward lower wave numbers after oxygen plasma etching treatment whilst the surface becomes rougher, although the roughness values are still lower. A conventional wetting contact angle method was used to study the surface properties of DLC films with different treatments. The wetting contact angle reduced significantly due to the increase of carbon–oxygen sites on the surface.     

超疏水仿生表面制造及其应用研究

本文采用等离子体反应气相沉积和飞秒激光技术分别对低表面能薄膜和方柱形微结构在钛合金上进行了制备,采用SEM对样品的表面形貌进行了表征,采用滴定角法对样品的疏水性能进行了评估,同时也对薄膜材料的力学性能进行了检测,获得了最佳工艺,并将上述两种技术复合,在钛合金上制备了仿生超疏水表面,检测结果表明：采用低表面能薄膜与微结构复合的方法,可以获得超疏水性能优异的钛合金表面,带有Cu薄膜的方柱形微结构水接触角可以达到156°,滚动角可达到8°。     

COMPARISON OF SURFACE PROPERTIES OF Ti-6Al-4V COATED WITH TITANIUM NITRIDE, TiN+TiC+Ti(C,N)/DLC, TiN/DLC AND TiC/DLC FILMS BY PLASMA-BASED ION IMPLANTATION

1. IlltroductionThe high yield strength and toughness, moderate modules, low density, good corrosionresistance and exceptional biocompatibility of Ti-6Al--4V alloy have made it increasinglypopular in industrial and medical application. But the alloy does not have enough wearresistance, and so is restricted in surface, particularly tribological applications to a certain e.tent[1--2]. It has been demonstrated that plasma-based ion implalltation (PBll), anew cost-effective technique for improvi…