非平衡磁控溅射沉积类石墨碳膜结构及其摩擦学性能

利用非平衡磁控溅射技术在单晶硅基底上沉积了类石墨非晶碳膜。利用X射线光电子光谱、Ram an光谱、高分辨透射电子显微镜及原子力显微镜对沉积薄膜的微观结构进行了详细表征;利用纳米压痕仪和球盘摩擦试验机分别对其力学性能和摩擦学性能进行了测试。结果表明,当前制备的非晶碳膜中sp2杂化碳占主导呈现出类石墨特征,但薄膜硬度可达14.2 GPa。大气环境中的摩擦性能测试表明,所制备的类石墨非晶薄膜具有优异的摩擦学性能:其承载能力高达2.8 GPa,同时具有较低摩擦因数(~0.05)和磨损率(~10-11cm3/Nm)。类石墨碳膜优异的摩擦学性能主要归因于其独特的结构、较低的内应力及良好的热稳定性。     

类金刚石薄膜固体超滑的研究现状和挑战

类金刚石(Diamond-like carbon,DLC)薄膜,具有高硬度、高化学惰性及低摩擦磨损等特性,特别是在一定条件下的超滑特性(摩擦系数低于0.01),为真正的近零摩擦和磨损的实现提供了可能性,因此在固体润滑领域展现出巨大的应用前景。从元素掺杂种类和键合结构特点,概述了DLC薄膜的种类多样性,归纳了不同DLC薄膜的力学及摩擦学特性。通过对比分析不同DLC薄膜在不同环境条件下的摩擦学行为,阐述了DLC薄膜超滑实现的环境敏感性,其中薄膜和环境中氢原子的作用十分关键,同时提出Si等元素掺杂改善超滑环境敏感性的可行方案。重点介绍了3种DLC超滑机理——界面钝化理论、界面石墨化理论以及转移膜形成理论,这三者均具有一定的局限性,如何更深入且全面认识DLC超滑仍是一个科学难题。最后强调了先进界面检测和表征技术对探秘DLC超滑态界面组成的重要性,并对今后亟需开展的深入研究方向进行了展望。     

元素掺杂对类金刚石薄膜摩擦学性能的影响

类金刚石碳薄膜具有良好的润滑性能,摩擦界面的磨屑或摩擦层结构影响其摩擦行为。掺杂的类金刚石碳薄膜是一个重要类别,其特征在于在非晶碳结构中结合不同的元素,改善其力学、摩擦学、电化学等性能。报告了不同非金属及金属元素的掺杂对类金刚石碳薄膜性能的影响,讨论了摩擦学性能随其化学组成和微观结构的变化,尽可能获得其间的一般趋势或相关性,并对元素掺杂类金刚石薄膜的发展进行了展望。     

类石墨碳膜的制备及其与类金刚石碳膜的区分

类金刚石碳膜的碳键结构一般以sp3为主,用离子束辅助磁控溅射制备了以sp2为主的非晶碳膜,即类石墨碳膜。分析类石墨碳膜的成分、组织结构,并通过这些结果区分类石墨碳膜与类金刚石碳膜。采用卢瑟福背散射谱(RBS)、x射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、x射线光电子谱(XPS)、四点探针法(FPM)分析了成分、组织结构及电阻率,结果表明:制备碳膜的晶体结构是非晶,碳键结构以sp2为主,电阻率在10-4~10-2??m之间。证明这种非晶碳膜不同于类金刚石碳膜(sp3为主)。     

沉积温度对钢球表面含氢碳薄膜结构和摩擦学性能的影响

目前,含有类富勒烯碳结构的氢化碳薄膜(FL-C:H)主要通过等离子体增强化学气相沉积技术(PECVD)在单晶硅表面制备。文中在碳薄膜PECVD沉积工艺之前,通过额外引入原位渗氮方法在钢球表面沉积过渡层以增强薄膜与基材结合力,从而成功制备了具有类富勒烯结构的含氢碳薄膜。通过改变钢球表面碳膜沉积时间(30、60、90、120、150和180 min)获得厚度不同、结构变化的碳膜,进而研究碳膜的结构演变与摩擦学性能之间的关系。结果表明:FL-C:H薄膜PECVD沉积工艺(采用了比额外引入的原位渗氮工艺更低的基底偏压)使钢基底温度随沉积时间增加而下降,导致薄膜结构转变。碳膜结构最初为类石墨结构,随着沉积时间的增长逐渐转变为类富勒烯结构;沉积时间为180 min的碳基薄膜具有超低摩擦因数(0.009)和超长磨损寿命(53 000个周期)。     

CoCrMo合金表面掺金属类金刚石薄膜的摩擦学性能

采用非平衡磁控溅射结合阳极型气体离子源技术在CoCrMo合金表面制备掺钨类金刚石薄膜(WDLC)和掺钛类金刚石薄膜(Ti-DLC)。利用努氏显微硬度计、结合力划痕仪、摩擦磨损试验机、表面形貌仪和洛氏硬度计表征膜层的力学性能,并用扫描电镜分析磨损形貌,探讨薄膜磨损机理。结果表明:所制备的2种薄膜均具有典型的DLC薄膜特征,W-DLC薄膜的硬度、结合力和摩擦磨损性能均优于Ti-DLC薄膜,更适合于CoCrMo合金的表面强化处理;CoCrMo合金的磨损机制主要为粘着磨损和磨粒磨损,而Ti-DLC/CoCrMo和W-DLC/CoCrMo的磨损机制以滑动磨损为主伴随极少量的磨粒磨损;经DLC薄膜处理,摩擦因数从CoCrMo合金的0.578降低到0.2以下,磨损率也降低了2个数量级,大幅度地提高了CoCrMo合金的摩擦磨损性能。     

含氢掺硅类金刚石薄膜的制备及性能表征

采用磁控溅射和离子源复合沉积技术,在Si片、模具钢和硬质合金上制备了均匀致密的含氢掺硅类金刚石薄膜.先用正交法优化含氢类金刚石薄膜的制备工艺,然后通过控制中频碳化硅靶的功率密度向含氢类金刚石膜层中成功掺人Si元素.采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)、X射线衍射仪(XRD)、硬度计、划痕仪和摩擦磨损试验机等手段测试和研究了膜层的形貌、成分、sp3和sp2含量及其性能.结果表明:优化后含氢类金刚石薄膜的制备工艺为:30 mL/min甲烷流量,100 V偏压,0.8A离子源电流;所制备的含氢掺硅类金刚石薄膜是非晶结构,膜厚2.20 μm,膜、基结合力为30 N,膜层硬度达到2039 HV.含氢掺硅类金刚石薄膜的摩擦因数受环境湿度变化很小,可应用于精密传动部件提高其使用精度.     

中科院兰州化物所高真空环境类金刚石碳基薄膜摩擦机理研究获进展

正中国科学院兰州化学物理研究所低维材料摩擦学课题组在高真空环境下类金刚石碳基薄膜摩擦机理研究方面取得新进展。研究工作相继发表在近期出版的ACS Appl.Mater.Interfaces(2013,5,5889～5893)和Carbon(2014,66,259～266)。具有优异摩擦学性能的类金刚石薄膜(DLC)是从微观尺度的微机电系统到宏观尺度的工程部件都具有广泛应用的固体润滑材料。然而,由于对DLC的摩擦机理还缺乏深入理解,难于控制DLC在不同环境中的摩擦学行为,从而极大地限制了其实际应用。研究人员从不同的角度出发提出了DLC减摩抗磨机制,包括化学吸附钝化理论、滑行界面的石墨化理论和转移膜理论,但是到目前为止还没有提出一个被普遍接受的摩擦机理。     

超硬薄膜性能试验研究

应用ＨＣＤ法在Ｃｒ１２ＭｏＶ试件上镀制了超硬ＴｉＮ膜层，并进行了与特定冲压拉深凹模工作条件相同或相近的磨损、摩擦和硬度测定试验，分析了膜层的显微结构和界面上原子的扩散状态，取得了一些重要的工艺数据和结论，为超硬薄膜在锻造、冲压模具中的应用做了一些基础性工作。     

类金刚石薄膜的摩擦性能及其应用

首先从成键结构的角度分析了DLC薄膜摩擦性能的由来,然后分别从DLC薄膜的沉积工艺(包括制备方法、气源种类和掺杂元素)、摩擦环境条件和基底材料选择等三方面入手,讨论了影响DLC薄膜摩擦性能的主要因素及其影响规律。经过总结发现,通过调节DLC薄膜的沉积工艺可以改变DLC薄膜中sp~2杂化碳的含量以及氢的含量,进而影响DLC薄膜的摩擦性能;真空、惰性气体和低湿环境有利于获得更好的摩擦效果;过渡层和偏压有利于提高DLC薄膜与基底之间的附着力,其摩擦性能也会得到提升。最后对DLC薄膜在机械加工及耐磨器件、光学和电子保护以及生物医学领域的应用进行了综述,并对应用过程中存在的两大问题——DLC薄膜的内应力和热稳定性进行了分析,归纳了一些具体的解决方案,并对DLC薄膜的发展趋势进行了展望。     

不同Ti含量类石墨碳膜干摩擦磨损性能研究

目的提高高速钢的干摩擦学性能,探究不同Ti含量掺杂对类石墨碳膜摩擦性能的影响。方法用非平衡磁控溅射离子镀技术制备了不同Ti含量的类石墨碳膜,用光学显微镜、扫描电子显微镜、Raman光谱、洛氏硬度计、纳米压痕仪等分析薄膜的微观结构和力学性能,用高速线性往复磨损试验机检测薄膜的干摩擦学性能,并用光学显微镜观察磨痕。结果制备的碳膜表面颗粒尺寸较小,断面致密,且逐渐趋向柱状结构。随着Ti靶溅射电流的增大,逐渐增加的Ti元素打断了sp~3键生长,薄膜中生成更稳定的sp~2键,且sp~2键含量先增大后减小,在0.8 A达到最大,溅射电流为1.1 A时,Ti元素含量最大,sp~2键和sp~3键都减少。碳膜与基体结合力随着Ti靶电流变大而先增大后减小,在0.8 A结合最佳,约为HF3级。硬度和弹性模量先减小后增加,0.8 A时达到最小。碳膜摩擦系数相比于原样都较低,在0.09~0.12之间。磨损率先增大后减小,维持在(5~15)×10~(-16) m~3/(N·m)左右。结论不同Ti含量的类石墨碳膜,能明显降低高速钢与钢球对磨的粘着磨损倾向,降低摩擦系数和磨损率。     

载荷、摩擦副及介质环境对多层Ti掺杂类石墨薄膜的摩擦学行为影响EI北大核心CSCD

针对非晶碳基薄膜高内应力和低膜基结合强度的问题,采用闭合场非平衡磁控溅射系统在316L不锈钢基体上制备多层结构掺杂类石墨薄膜(GLC),探究载荷、摩擦副和介质环境对薄膜摩擦学行为的影响。结果表明,制备得到的多层结构GLC薄膜结构致密均匀,膜基之间没有明显缺陷,且力学性能良好。薄膜在干摩擦条件下的摩擦因数曲线呈明显的三阶段特征,分别对应于轻微的磨粒磨损、薄膜的剥离以及对磨球上碳质转移膜的形成。薄膜的平均摩擦因数随载荷的增加而显著提高,磨损率呈先减小后增大的趋势。相对于ZrO_(2)陶瓷球,Si_(3)N_(4)陶瓷球因其较高的黏着倾向和较大的赫兹接触半径导致其较高的摩擦因数和磨损率。GCr15金属球因其较低的硬度,导致碳质转移膜随金属磨削的剥离而脱落,造成相对较高的摩擦因数和磨损率。相对于室温空气环境下,GLC薄膜在NaCl溶液中由于受到水溶液的冲洗和腐蚀介质Cl^(-)的侵蚀,导致薄膜从基体的快速剥离,造成更高的摩擦因数和磨损率。研究成果可为提高非晶碳基薄膜在不同工作环境下的服役寿命和使用效率提供理论指导。     

Study on the Tribological Properties of Graphite-like Amorphous Carbon Film under Different Testing Conditions

Graphite-like amorphous carbon film was fabricated by unbalanced magnetron sputtering technique.Raman spectroscopy,atomic force microscopy(AFM)and tribometer were subsequently used to investigate the microstructure and tribological properties of the resultant film.It is found that the deposited carbon film is dominated by sp 2 sites,and the intensity ratio of the D and G peaks is as high as 4.0,which is one order of magnitude larger than that of diamond-like carbon films with high sp 3 content,indicating a more graphite-like structure.However,the as-deposited carbon film exhibits moderately high hardness(13.7 GPa),low internal stress(0.38 GPa)and superior tribological properties with high load bearing capacity(Hertz contact stress about 3.2 GPa)and low wear rate(2.73×10-10 cm3/N.m)in ambient atmosphere.Although it displays a poor wear resistance in water lubricated condition,a superior wear resistance is achieved in oil lubricated condition.Its inherent physical property,the formation of transfer layer and the friction induced chemical reactions may be commonly responsible for its tribological properties.     

类金刚石膜的物理特性及应用

类金刚石膜(DLC)是由无定形碳和金刚石相混合组成的碳材料,类金刚石膜具备许多优异的性能,包括高耐磨性、低摩擦系数、热稳定性、红外透光性、高电阻、低介电常数及生物相容性,使其适合许多领域的应用,因此,引起了人们极大兴趣.现在已经应用到很多领域.总结了DLC在机械、电子、光学和医学等领域的应用状况以及存在的问题.     

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。     

脉冲激光沉积掺W类金刚石膜的性能

采用氟化氪（KrF）脉冲准分子激光烧蚀沉积（PLD）技术,在硅基体表面制备不同掺W时间的类金刚石薄膜（W-DLC）。利用AFM、XRD、Raman、纳米压痕等手段分析和研究薄膜的表面形貌、结构以及部分性能。结果表明：W掺入后形成了α-W2C和WC相,并且没有明显改变薄膜中sp2和sp3键的含量,薄膜的表面粗糙度基本不受W掺入时间的影响,残余应力降低约1个数量级（二十几个GPa下降到几个GPa）,硬度和弹性模量随W掺入时间的增加而逐渐降低。     

Graphite-like and Diamond-like Carbon Coatings with Exceptional Tribological Properties

THE PHYSICAL DEMANDS on engineeringcomponents are continually increasing whilstenvironmental controls on the use of lubricants becomemore and more restrictive.This has led to increasingdemand for high load bearing,solid lubricant coatingsthat enable engineered surfaces to rub against oneanother with reduced friction and wear.One of themost promising candidate coatings is diamond-likecarbon,DLC.However,the term DLC is used to describe a broadrange of carbon-based coatings that includes…     

类金刚石膜的性质和制备及应用

介绍了类金刚石膜的性能、制备方法以及应用.类金刚石膜(DLC)是由sp3键组态的碳和sp2键组态的碳混合组成的碳材料,由于具有与金刚石膜(DF)相似的性能--优异的光学特性、机械特性、电学特性和化学特性,同时现行制备方法(化学气相沉积,物理气相沉积等)相对容易实现,并且其产品已经应用到光学、医学、机械、电子等多个领域,因此引起人们极大兴趣.