磁控溅射WSx/W/DLC/W多层膜的微观结构及摩擦学性能

采用磁控溅射技术在硅基底上交替沉积WS_x、W以及DLC膜层制备WS_x/W/DLC/W多层膜。利用X射线衍射仪、扫描电镜、纳米压痕仪等对多层膜的微观结构和力学性能进行了表征,使用球盘式摩擦磨损试验机测试了多层膜在大气中的摩擦学性能。结果表明:多层膜表面均光滑致密。随着周期中W单层厚度的增加,多层膜中出现α-W、W_2C和β-WC_(1-x)结晶相,多层膜的硬度大幅提高(6 nm时具有极大值17.3 GPa),摩擦因数呈下降趋势,结合力逐渐降低,磨损率先降低后升高。W单层厚度为6 nm的多层膜的耐磨性能最佳,磨损率约为1.4×10~(-14)m~3·N~(-1)·m~(-1)。     

调制比对磁控溅射法生长DLC/WS_x多层膜微结构和力学性能的影响

采用磁控溅射法在200℃Si(100)基体上交替沉积WS_x和类金刚石碳膜(DLC)制备不同调制比的DLC/WS_x多层膜(周期为10 nm)。利用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子谱(XPS)等手段分析调制比对多层膜成分、微观结构及界面的影响。利用薄膜应力测试仪、纳米压痕仪、涂层附着力划痕仪和球盘式摩擦磨损试验机等测试多层膜的力学性能及大气中的摩擦磨损性能。结果表明:DLC/WS_x多层膜结构致密而平整,界面强化效应明显,膜中WS_x均为非晶结构。随着调制比增大,多层膜的n(S)/n(W)由0.77增大至1.08,硬度先降低后升高,膜内压应力逐渐减小,结合力先增大后减小,摩擦因数由0.307降至0.171,磨损率逐渐上升。调制比为1:39的多层膜性能最优,硬度可达11.4 GPa,磨损率低至1.17×10~(-15) m~3·N~(-1)·m~(-1),显著优于纯WS_x薄膜的。     

DLC层厚度对CNx/DLC多层膜结构及摩擦学性能的影响

采用直流磁控溅射法在硅基底上交替沉积类金刚石碳(DLC)和氮化碳(CNx)薄膜,制备了不同DLC层厚度的CNx/DLC纳米多层膜。使用X射线衍射、场发射扫描电子显微镜、X射线光电子谱、Raman光谱等测试手段表征了薄膜的微观组织形貌、化学成分和原子价键结构等。采用原位纳米压入技术、涂层附着力划痕仪、球盘式摩擦磨损试验机对薄膜的力学和摩擦学性能进行了测试。结果表明:所制备的CNx/DLC多层膜均为微晶或非晶结构,组织致密。随着DLC层厚度的减小,多层膜内sp3杂化键的含量先升高后下降,压应力由135 MPa增至538 MPa,结合力先上升后降低,而磨损率则呈相反变化趋势。多层膜在大气和真空中的摩擦因数约为0.17和0.15,DLC层厚度的影响很小。DLC层厚度为4.5 nm的多层膜的性能最佳,硬度可达44.1 GPa,最低磨损率为3.2×10-18m3/(N·m)。