真空阴极弧离子镀类金刚石碳膜Raman光谱研究

分别采用带有和不带有弯曲弧磁过滤器的真空阴极弧离子镀方法，在不同镀膜电流以及不同基片偏流下分别制备了类金刚石碳膜，对比了不同结构下类金刚石碳膜的Raman光谱特点对其Raman光谱的D峰和G峰采用Gaussian-Lorentzion的几率分布进行了分峰，并着重讨论了基片偏流、弯曲磁场等沉积参数对膜结构的影响结果表明，氩分压对膜结构影响不大，较大的偏流以及弯曲磁场的加入均有利于sp^3杂化碳键的形成。     

磁过滤直流真空阴极弧制备类金刚石膜的结构及其性能

采用磁过滤直流真空阴极弧沉积技术在单晶硅片、载玻片、不锈钢片基体上制备了类金刚石(DLC)膜.用光学显微镜、椭偏仪、Raman光谱、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射能谱(XRD)、纳米硬度计、摩擦磨损仪、洛氏硬度计检测了薄膜的组分、结构、光学、力学等相关特性.结果表明,膜中均存在着微米级的大颗粒分布.硅片上的薄膜厚度均为37 nm左右,75 V、100 V偏压下制得的薄膜具有最高的sp3键含量,薄膜具有典型的DLC膜Raman光谱特征.玻片上的DLC膜具有良好的红外透射性能.不锈钢片上的薄膜为非晶碳结构,硬度受膜厚的影响显著,在空气中的摩擦因数均约为0.1左右,耐磨性能优良,随着膜厚的增加,膜与基体的结合性能变差.采用Cr/Cr-DLC膜(含铬DLC膜)作为不锈钢的梯度过渡层时可以极大地提高膜基间的结合性能.     

偏压对DLC薄膜结构及摩擦学性能的影响

目的通过调节偏压,改善无氢DLC薄膜的微观结构,提高其力学性能和减摩抗磨性能。方法采用离子束辅助增强磁控溅射系统,沉积不同偏压工艺的DLC薄膜。采用原子力显微镜(AFM)观察薄膜表面形貌,采用拉曼光谱仪对薄膜的微观结构进行分析,采用纳米压痕仪测试薄膜硬度及弹性模量,采用表面轮廓仪测定薄膜沉积前/后基体曲率变化,并计算薄膜的残余应力,采用大载荷划痕仪分析薄膜与不锈钢基体的结合力,采用TRB球-盘摩擦磨损试验机评价薄膜的摩擦学性能,采用白光共聚焦显微镜测量薄膜磨痕轮廓,并计算薄膜的磨损率。结果偏压对DLC薄膜表面形貌、微观结构、力学性能、摩擦学性能都有不同程度的影响。偏压升高导致碳离子能量升高,表面粗糙度呈现先减小后增加的趋势,-400V的薄膜表面具有最小的表面粗糙度且C─C sp^3键含量最多,这也导致了此偏压下薄膜的硬度最大。薄膜的结合性能与碳离子能量大小呈正相关,-800 V时具有3.98 N的最优结合性能。不同偏压工艺制备的薄膜摩擦系数随湿度的增加,均呈现减小的趋势,偏压为-400V时,薄膜在不同湿度环境中均显示出最优的摩擦学性能。结论偏压为-400 V时,DLC薄膜综合性能最优,其表面粗糙度、硬度、结合力和摩擦系数分别为2.5 nm、17.1 GPa、2.81 N和0.11。     

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.     

纳米金刚石薄膜的微结构和残余应力

采用双偏压热丝化学气相沉积法在不同栅极和衬底偏流下制备出纳米金刚石薄膜.采用Raman谱、SEM、AFM、纳米压痕法和XRD分析纳米金刚石膜的微结构、弹性模量和残余应力.分析结果表明,金刚石晶粒尺寸随着栅极和衬底偏流的增加而减小,而衬底偏流的加入会引起非金刚石成分的显著增加.金刚石晶界的畸变使得弹性模量随着栅极和衬底偏流的增加而减小,薄膜热应力也随之减小.晶界非金刚石成分引起金刚石本征应力呈压应力性质,晶界密度的增加使得本征应力随着栅极偏流的增加而增加,但衬底偏流引起薄膜抵抗变形能力剧烈下降,导致金刚石本征压应力的减小.     

工作压强对PECVD法制备DLC薄膜微观结构与力学性能的影响

采用脉冲等离子体增强化学气相沉积方法(Pulse-PECVD)于316L不锈钢基体上制备类金刚石(DLC)薄膜,研究不同工作气压对DLC薄膜的沉积速率、表面形貌、微观结构、纳米硬度、弹性模量以及结合强度的影响规律。结果表明:随沉积气压增大,薄膜的沉积速率随之增大,压强在3 Pa时沉积速率可高达1. 4μm/h;不同气压下沉积的DLC薄膜均体现出平整光滑的表面形貌和高于不锈钢基体3倍以上的纳米硬度;沉积气压为2 Pa时,DLC薄膜在拉曼光谱中具有最小的ID/IG值,对应最高的纳米硬度16. 1 GPa和弹性模量152. 7 GPa,以及最低的粗糙度和摩擦因数0. 206。      

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。     

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-100V时制备的薄膜表面粗糙度低(6.5nm),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。     

化学气相沉积温度对AZ31镁合金表面制备DLC薄膜微观结构及机械性能的影响

目的提高镁合金表面硬度及耐磨性,给出最佳性能薄膜的制备温度。方法采用化学气相沉积(PECVD)技术在AZ31镁合金表面制备了含氢DLC薄膜,研究了沉积温度对DLC薄膜厚度、表面形貌、硬度、杨氏模量、耐磨性能、膜基结合力以及sp^3键含量的影响,并对相应的影响机制进行了讨论。结果沉积温度对AZ31镁合金表面DLC膜的组织及性能有显著影响。温度较低时,碳粒子能量较低,无法注入薄膜亚表层,只能停留在表面以sp^2杂化方式生长。随着温度的升高,碳粒子能量增加,更多的sp^3杂化键形成。沉积温度为75℃时,薄膜中sp^3杂化键含量最多,此时薄膜最厚约为7.67μm,硬度最大可达5.95 GPa,杨氏模量值最高达到43.2 GPa,并且摩擦系数最低仅为0.03。随着温度进一步升高,碳粒子能量持续增加,轰击薄膜表面时会使碳-氢键断裂,造成氢的脱附,使薄膜中sp^3杂化键减少,从而降低了薄膜的硬度及耐磨性等机械性能。结论在本研究工作温度范围内,75℃为AZ31镁合金表面制备DLC薄膜的最佳温度。     

全方位离子注入与沉积类金刚石碳膜的结构与性能

用等离子体浸没离子注入与沉积(PIIID)复合强化新技术在AISI440C不锈钢表面制备了类金刚石(DLC)碳膜。膜层表面的原子力显微镜(AFM)形貌显示出DLC膜结构致密均匀。Raman光谱分析结果表明,制备的DLC主要是由金刚石键(sp3)和石墨键(sp2)组成的混合无定形碳膜,且sp3键含量大于10%。以纯石墨棒做阴极,C2H2为工作气体条件下合成的DLC薄膜中,sp3键含量总体上较单纯用石墨作阴极而无工作气体条件下合成的DLC薄膜中sp3键含量高。与基体相比,薄膜试样的显微硬度和摩擦磨损性能均得到了较大改善,最大硬度提高88.7%,磨损寿命延长超过4倍。     

STRUCTURE, MECHANICAL PROPERTIES AND THERMAL STABILITY OF DIAMOND-LIKE CARBON FILMS PREPARED BY ARC ION PLATING

Diamond-like Carbon (DLC) films have been prepared on Si(lO0) substrates by arc ion plating in conjunction with pulse bias voltage under He atmosphere. The deposited films have been characterized by scanning electron microscopy and atomic force microscopy. The results show that the surface of the film is smooth and dense without any cracks, and the surface roughness is low. The bonding characteristic of the films has been studied by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Raman spectroscopy. It shows the sp^3 bond content of the film deposited at -200V is 26. 7%. The hardness and elastic modulus of the film determined by nanoindentation technique are 30.8 and 250.1GPa, respectively. The tribological characteristic of the films reveals that they have low friction coefficient and good wear-resistance. After deposition, the films have been annealed in the range of 350-700℃ for 1h in vacuum to investigate the thermal stability. Raman spectra indicate that the ID/IG ratio and G peak position have few detectable changes below 500℃. Further increasing the annealing temperature, the hydrogen can be released, the structure rearranges, and the phase transition of sp^3 configured carbon to sp^2 configured carbon appears.     

Properties of Zr-ZrC-ZrC/DLC gradient films on TiNi alloy by the PIIID technique combined with PECVD

The Zr-ZrC-ZrC/DLC gradient composite films were prepared on TiNi alloy by the techniques combined plasma immersion ion implantation and deposition (PIIID) and plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). With this method, the Zr-ZrC intermixed layers can be obtained by the ion implantation and deposition before the deposition of the ZrC/DLC composite film. In our study, an optimal gradient composite film has been deposited on the NiTi alloys by optimizing the process parameters for implantation and deposition. The surface topography was observed through AFM and the influence of the deposition voltage on the surface topography of the film was investigated. XPS results indicate that on the outmost layer, the Zr ions are mixed with the DLC film and form ZrC phase, the binding energy of C 1s and the composition concentration of ZrC depend heavily on the bias voltage. With the increase of bias voltage, the content of ZrC and the ratio of sp³/sp² firstly increases, reaching a maximum value at 200 V, and then decreases. The nano-indentation and friction experiments indicate that the gradient composite film at 200 V has a higher hardness and lower friction coefficient compared with that of the bare NiTi alloy. The microscratch curve tests indicate that gradient composite films have an excellent bonding property comparing to undoped DLC film. Based on the electrochemical measurement and ion releasing tests, we have found that the gradient composite films exhibit better corrosion resistance property and higher depression ability for the Ni ion releasing from the NiTi substrate in the Hank's solution at 37°C.     

基体脉冲偏压对TiN/Cu纳米复合薄膜组织结构、力学及耐磨性能的影响

本文采用轴向磁场增强电弧离子镀在高速钢基体上沉积了TiN/Cu纳米复合薄膜,研究了基体脉冲偏压幅值对薄膜成分、结构、力学性能及耐磨性能的影响。结果表明,薄膜中铜含量随着脉冲偏压幅值的增加先增加而后降低,在一个较低的范围内(1.3-2.1at.%)。X射线衍射结果表明所有的薄膜均出现TiN相,并未观察到Cu相。薄膜的择优取向随着脉冲偏压幅值的增加而改变。薄膜的最高硬度为36GPa,是在脉冲偏压幅值为-200V时得到的,对应了1.6at.%的Cu含量。与纯的TiN薄膜相比,Cu的添加明显增强了薄膜的耐磨性能。     

弧电流对电弧离子镀沉积超硬ta-C薄膜的影响

用电弧离子镀设备,以获得超硬四面体非晶ta-C薄膜为目的,通过改变弧电流,在硬质合金基体上沉积制备了5组类金刚石DLC薄膜,主要考察弧电流对薄膜结构、性能以及获得超硬ta-C薄膜的影响规律。采用SEM、Raman、XPS、纳米压痕以及摩擦磨损仪分别表征了薄膜的形貌、结构、力学性能以及摩擦性能。结果表明：当弧电流为30 A时,薄膜表面最为平整致密、大颗粒数量最少,Raman谱的I_D/I_G值最小为0.87、sp^₃键含量最大为64%,薄膜的硬度和弹性模量最大分别为56.7 GPa和721.1 GPa、弹性恢复系数高达58.9%,且薄膜的摩擦系数最小为0.073,表明此时获得了具有优异综合性能的超硬ta-C薄膜;但随着弧电流的增加,薄膜表面变得疏松多孔、表面大颗粒增多,I_D/I_G增大、sp^₃键含量减小,薄膜的硬度H和弹性模量E逐渐减小,薄膜的摩擦系数也逐渐增大、摩擦性能大大降低,此时薄膜又归于呈现普通的性能一般的DLC薄膜特征。分析表明,若用电弧离子镀技术制备性能优异的超硬四面体非晶ta-C薄膜,需控制薄膜在较小的离子通量下沉积生长,为此需选择较小的弧电流方能实现。     

高结晶度CrN纳米粒子掺杂的DLC薄膜的显微结构及力学性能

采用高功率脉冲磁控放电等离子体注入与沉积(HPPMS-PIID)和常规直流磁控溅射复合的方法设计制备了包含高结晶度的CrN纳米粒子的DLC薄膜,并对不同C靶电流时制备的CrN-DLC薄膜的形貌、结构及性能进行了研究.结果表明,随C靶电流的增加,薄膜中的含C量增加,在较高的C含量时形成了明显的DLC薄膜特征,掺杂相主要成分为高度200择优取向的CrN纳米晶,其最小晶粒尺寸为42.39 nm.薄膜中的C主要以C-sp~2,C-sp~3和CN-sp~3键的形式存在,sp~3键的总含量为sp~2总含量的44.8%.所制备的薄膜具有很好的膜基结合力(临界载荷Lc=66.8 N)和较高的纳米硬度(最高达24.3 GPa).     

脉冲偏压对TiAlCN薄膜结构与力学性能的影响

利用多弧离子镀-磁控溅射复合技术通过改变脉冲偏压在Si片与SS304基体表面制备了TiAlCN薄膜,研究了不同脉冲偏压对薄膜结构和力学性能的影响。薄膜成分、表面形貌、相结构及力学性能分别利用能量弥散X射线谱(EDS)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和纳米压痕仪等设备进行表征。结果表明,随着脉冲负偏压的增加,薄膜中Ti元素的含量先减小后增大,而Al元素有相反的变化趋势。适当增大脉冲偏压,薄膜表面颗粒、凹坑等缺陷得到明显改善。物相分析表明TiAlCN薄膜主要由(Ti,Al)(C,N)相,Ti4N3-x相和Ti3Al相组成。薄膜平均硬度与弹性模量随脉冲负偏压的增加先增大后减小,在负偏压-200 V时达到最大值分别为36.8 GPa和410 GPa。     

脉冲磁控溅射MoS2涂层的组织结构及摩擦学性能

采用单极性脉冲磁控溅射技术在A286基体表面制备MoS₂低摩擦系数涂层(LFC)。利用XRD、SEM等手段表征涂层的成分与微观组织;采用原位纳米力学测试系统、球-盘式摩擦磨损试验机分析涂层的力学和摩擦学性能,并探讨了脉冲偏压对涂层结构、力学和摩擦学性能的影响。结果表明,脉冲偏压由300V增加到600V,MoS₂涂层择优取向发生了(002)向(100)转变,当脉冲偏压增至800V时又恢复(002)择优取向,;随着脉冲偏压的增加,涂层的硬度及弹性模量出现先减少后增大趋势,摩擦系数在0.065~0.076范围内波动,呈现出先增加后减小趋势;偏压为800V的涂层摩擦学性能最佳,其磨损率仅为基体的13.5%。     

Effect of applied dc bias voltage on composition, chemical bonding and mechanical properties of carbon nitride films prepared by PECVD

Carbon nitride films were deposited on Si (100) substrates using plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) technique from CH4 and N2 at different applied dc bias voltage. The microstructure, composition and chemical bonding of the resulting films were characterized by Raman spectroscopy, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and X-ray diffraction (XRD). The mechanical properties such as hardness and elastic modulus of the films were evaluated using nano-indentation. As the results, the Raman spectra, showing the G and D bands, indicate the amorphous structure of the films. XPS and FTIR measurements demonstrate the existence of various carbon-nitride bonds in the films and the hydrogenation of carbon nitride phase. The composition ratio of N to C, the nano-hardness and the elastic modulus of the carbon nitride films increase with increasing dc bias voltage and reach the maximums at a dc bias voltage of 300 V, then they decrease with further increase of the dc bias voltage. Moreover, the XRD analyses indicate that the carbon nitride film contains some polycrystalline C3N4 phase embedded in the amorphous matrix at optimized deposition condition of dc bias voltage of 300 V.     

Cr含量对类石墨碳涂层硬度及其价键结构的影响

为了探讨Cr含量对类石墨碳(GLC)涂层硬度的影响机理,采用非平衡磁控溅射离子镀技术,通过调整Cr靶电流,制备出了具有不同Cr含量的GLC涂层.借助显微硬度计测量了涂层的硬度,利用X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)分析了涂层的成分、相组成和主元素的价键结构.结果表明,Cr有显著软化GLC涂层的作用.随着Cr含量增加,GLC涂层中的sp3杂化碳的含量持续减小,sp2杂化碳的含量先增后减,而金属铬及碳铬化合物的含量则不断增大.上述因素对GLC涂层的硬度变化均有影响,而涂层中sp3杂化碳的含量随着Cr含量增加持续减小是造成GLC涂层硬度不断降低的主要原因.