自组织分层金属掺杂类金刚石薄膜的研究进展

近年来,研究学者发现在沉积过程中,某些金属元素掺杂类金刚石薄膜时能够形成一种特殊的自组织分层纳米结构,这种纳米结构克服了人为调控多层薄膜的工艺复杂性及局限性,同时赋予了薄膜更加优异的性能。主要综述了国内外对金属掺杂类金刚石薄膜中自组织分层结构的影响因素、形成机理等方面的研究现状。详细阐述了金属类型及含量、沉积条件(脉冲频率、基体偏压、气流比、沉积温度、沉积时间)、沉积方法等参数对自组织分层结构的生成及富金属层厚、富碳层厚、层数等尺寸的作用规律。重点介绍了离子重排机理、金属催化机理、强离子辐照诱导机理和靶中毒机理四种自组织分层结构形成机理的特点,并探讨了目前研究工作中存在的一些不足,如自组织分层结构的形成机理尚不清晰。上述四种机理模型均具有一定的局限性,且如何设计工艺参数实现自组织分层结构的内在调控仍是一个科学难点。针对这些问题,提出了自组织分层结构碳基薄膜的未来研究方向。     

基体负偏压对四面体非晶碳膜结构和性能的影响

采用自主研制的45°单弯曲磁过滤阴极电弧沉积系统于Si基体表面制备了四面体非晶碳(ta-C)膜,研究了基体负偏压对薄膜沉积速率、成分、力学性能及摩擦学性能的影响规律。结果表明,随基体负偏压升高,ta-C膜sp3键含量呈先增后减的变化趋势,在-50V时达到最大值(约64%);其硬度和弹性模量呈相似的变化规律,在-50V偏压下获得最大值(48.22GPa和388.52GPa)。ta-C薄膜的摩擦学性能与其sp3碳杂化键的含量密切相关,在-50V偏压下制备的薄膜具有最小平均摩擦因数值(0.10)。可见,采用单弯曲磁过滤阴极弧电弧制备ta-C薄膜的力学和摩擦学特性主要受薄膜中sp3键含量的制约。     

空气与C3H8含量对气体氧-氮-碳三元共渗化合物层结构的影响

以NH3、空气、C3H8与N2混合气体作为气源,采用两段式气体氧-氮-碳三元共渗方法,在580℃加热2h,随后降温至540℃继续加热1.5h,实现对S20C钢的表面强化.保持通入气体总流量、空气与C3H8添加比例不变,改变空气与C3H8的总含量,研究不同气氛组成处理后S20C钢表面渗层的厚度、形貌以及相结构变化趋势.结果表明,经过处理后的样品表面形成了具有良好耐摩擦、耐腐蚀性能的亮白色化合物层,该化合物层具有单一ε-Fe2-3(N,C)物相,其厚度随空气与C3H8的总含量的增加而增大.     

IC-6高温合金及其防护性涂层的摩擦特性

采用电弧离子镀技术在IC－高温合金上沉积NiCrAlY涂层。研究了NiCrAlY涂层及IC－6高温合金在室温和600℃空气中无润滑状态下，以K17高温合金为摩擦副的摩擦特性。采用带有能谱的扫描电镜（SEM／EDX）分析IC－6高温合金和NiCrAlY涂层磨损表面的形貌和成分。实验结果表明，室温条件下摩擦时，一些碎屑从K17合金上脱落下来，在IC－6合金及NiCrAlY涂层表面上形成磨粒，随着摩擦时间延长，磨损表面元素发生氧化。试样在环境温度在600℃摩擦时，NiCrAlY涂层的表面比较快的形成氧化膜，减少金属－金属间的直接接触。环境温度升高后，摩擦表面温度也随之升高，氧化物的粘滞性增强，600℃时，合金和涂层摩擦系数都有不同程度的减小。     

AISI440C钢氧-氮-碳三元共渗渗层显微组织与硬度研究

以空气、丙烷、氨气等作为气源,利用低温气体多元共渗技术在AISI4400C钢表面进行低温气体氧-氮-碳三元共渗处理,以提高其表面硬度.借助光学金相显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计和扫描电镜,对渗层形貌、物相、显微硬度梯度变化趋势以及元素分布进行检测分析.结果表明,在基材表面共渗层形成了厚且均匀致密的化合物层,该化合物层以氮化物、碳化物和氧化物为主;三元共渗过程中氧的加入可促进化合物层的形成,缩短共渗时间,获得的三元共渗层表面硬度最高可达1170HV.     

沉积时间对聚醚醚酮表面类金刚石薄膜的结构和性能的影响

采用直流磁控溅射技术在聚醚醚酮(PEEK)表面制备不同厚度的类金刚石(DLC)薄膜,研究了沉积时间对其表/界面结构、组分、疏水、力学和光透过性能的影响。结果表明,在平均沉积速率为5.71 nm/min的条件下,随着沉积时间的延长DLC薄膜的厚度线性增大、碳原子的致密性提高、界面互锁结构增强,而界面结合强度逐渐降低。沉积时间≤15 min时,基体结构的影响使拟合计算出的I_D/I_G值为0.23~0.25和sp²/sp³比值较小(0.58~0.74);沉积时间>15 min时基体的影响较小,I_D/I_G值突增大至0.81,sp²/sp³值也比较大(0.96~1.12)。沉积时间的延长使PEEK基体的温度逐渐升高,使膜内的sp²/sp³值逐渐增大。薄膜表面的氧含量先降低然后趋于平缓,部分C=O转化为C-O。随着沉积时间的延长,PEEK/DLC复合薄膜的硬度、弹性模量及防紫外线和阻隔红外线性能都逐渐提高,其表面粗糙度和疏水性的变化趋势是先提高后降低。沉积时间为32 min的薄膜,其表面粗糙度和水接触角达到最大值,分别为495 nm和108.29°。     

自组织梯度分层结构金属掺杂类金刚石薄膜的制备及其性能研究

金属掺杂是降低类金刚石薄膜(DLC)内应力、提高其机械性能的一种有效方法。通常,金属掺杂类金刚石薄膜(Me-DLC)为均匀的纳米复合结构,但在一定条件下,会形成特殊的自组织分层结构。为了研究不同金属掺杂种类对自组织分层结构和薄膜性能的影响,本文筛选了两种典型的掺杂金属元素Cu和Cr,采用磁控溅射与阳极层离子源复合系统制备了Cu-DLC和Cr-DLC薄膜,同时使用等离子体发射光谱仪检测了沉积过程中金属粒子密度变化;通过能谱仪、辉光放电光谱仪、透射电镜、拉曼光谱仪、X射线光电子能谱仪等表征了薄膜成分和微结构;采用纳米压痕仪与摩擦磨损试验机考察了薄膜的力学和摩擦学性能。结果表明,在靶中毒模式下,溅射出的金属粒子密度逐渐降低,导致薄膜形成了自组织梯度分层结构,即膜基界面处为富金属层,表面为富碳层,沿膜基界面到表面金属含量从13%(原子比)以上逐渐降低至1%以下。Cu-DLC和CrDLC薄膜相似的表面碳键结构和力学性能,并且在干摩擦以及油润滑条件下分别表现出相似的摩擦学行为。以上研究表明自组织梯度分层结构的形成降低了金属种类对Me-DLC薄膜结构和性能的影响。     

热丝CVD大面积金刚石薄膜的生长动力学研究

在传统工业型热丝化学气相沉积（HFCVD）反应腔内，相关工艺参数取模拟计算优化值的条件下，采用XRD，SEM及Raman光谱等分析手段研究了单晶Si（100）上较大面积金刚石薄膜的动力学生长行为，讨论了晶格取向的变化规律。结果表明：优化工艺参数条件下，在模拟计算的衬底温度和气体温度分布均匀的区域内，沉积的金刚石薄膜虽存在一定的内应力，但整体薄膜连续、均匀，几何晶形良好，质量较高，生长速率达1．8μm／h。薄膜生长过程中晶形显露面受衬底温度和活性生长基团浓度的影响较大。     

海洋环境下物理气相沉积氮/碳基抗磨蚀涂层的研究进展

主要综述了海洋环境抗磨蚀防护涂层及技术的发展现状,对比了喷涂、高能束表面改性、物理气相沉积(Physical vapor deposition,PVD)三种常用技术的优劣势,并归纳了不同涂层在海水磨蚀条件下的磨损率和腐蚀电流密度,发现PVD制备的氮/碳基涂层呈现出更优的耐摩擦防腐蚀性能.进一步对海洋环境氮基与碳基抗磨蚀防护涂层的研究成果进行了重点阐述,探讨了组分、过渡层以及多层结构设计等对涂层微结构、力学及磨蚀性能的影响,剖析了涂层在海水磨蚀环境中的失效分析方法和损伤机理.最后,对海洋抗磨蚀防护涂层的未来发展方向进行了思考与展望.