电化学沉积铁-非晶碳磁性纳米复合薄膜

利用液相电化学方法,以乙酰丙酮铁的甲醇溶液为碳源,在单晶硅表面制备了铁-非晶碳磁性纳米复合薄膜。通过扫描电子显微镜、X射线衍射、X射线光电子能谱和Raman光谱技术分析了薄膜组成、形貌和结构。结果表明:Fe掺杂的非晶碳膜为含有Fe、Fe_3O_4纳米晶和非晶碳基的复合结构。和未掺杂非晶碳膜相比,Fe掺杂的薄膜具有更高的sp2碳含量和无序度。磁滞回线显示Fe掺杂的薄膜具有软磁特性,沿薄膜表面方向为易磁化方向。     

CrSiN纳米复合薄膜的摩擦学性能

采用中频非平衡反应磁控溅射技术在单晶硅P(111)基材上制备了CrSiN纳米复合薄膜。利用X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、Kevex能谱仪(EDX)、高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)和纳米压痕仪对薄膜的相结构、化学成分组成和力学性能进行了测试分析。利用球-盘式摩擦磨损试验机(UMT-2)考察了薄膜和GCr15钢球对磨的摩擦学性能并采用扫描电镜(SEM)观察磨痕形貌。结果表明:CrN薄膜中Si元素的掺杂改变了薄膜晶体结构,所制备的CrSiN复合薄膜为多相复合结构,即nc-CrN/aSi3N4所组成的纳米晶/非晶复合结构。CrSiN纳米复合薄膜的力学性能均优于CrN薄膜,其硬度均高于CrN薄膜的硬度,其中Si原子数分数为12.6%时薄膜的硬度达到最大,对应纳米晶/非晶复合强化。CrSiN纳米复合薄膜的摩擦因数低于CrN薄膜,具有很好的抗磨损性能,并具有一定的润滑作用。     

Co-C颗粒膜的结构、磁性能和GMR效应研究

采用直流磁控溅射技术,在n-Si(100)衬底上制备了Cox C100-x(x=2.5～50,at%)颗粒膜,并对薄膜的结构、形貌、磁性能和巨磁电阻(GMR)效应做了系统的研究。结果表明:制备态的Co-C薄膜为非晶结构,且表面光滑、颗粒尺寸及膜厚度均匀;随热处理温度的增加,Co成分在300℃逐渐开始晶化,400℃基本晶化完全,500℃度的时候膜层开始出现裂纹;拉曼光谱显示制备态薄膜为类金刚石(DLC)薄膜;X射线光电子能谱(XPS)分析表明,包埋在碳基薄膜中的Co掺杂纳米颗粒以单质形态存在,没有Co的碳化物出现,且Co掺杂没有促进碳膜的石墨化,Co-C纳米复合薄膜组成了一个互不相溶的金属/绝缘体体系;磁性能测试显示薄膜的饱和磁化强度(Ms)和矫顽力(Hc)与Co的含量和颗粒的晶化程度有密切关系;磁电阻测量结果表明Co2.5C97.5薄膜具有高达36%的正GMR效应,GMR效应遵循输运通道的转变机制。     

淀粉包覆纳米银粒子的简易合成及其抗菌性能

采用直流磁控溅射技术,在n-Si (100)衬底上制备了CoxC100-x(x=2.5～50,at％)颗粒膜,并对薄膜的结构、形貌、磁性能和巨磁电阻(GMR)效应做了系统的研究.结果表明:制备态的Co-C薄膜为非晶结构,且表面光滑、颗粒尺寸及膜厚度均匀;随热处理温度的增加,Co成分在300℃逐渐开始晶化,400℃基本晶化完全,500℃度的时候膜层开始出现裂纹;拉曼光谱显示制备态薄膜为类金刚石(DLC)薄膜;X射线光电子能谱(XPS)分析表明,包埋在碳基薄膜中的Co掺杂纳米颗粒以单质形态存在,没有Co的碳化物出现,且Co掺杂没有促进碳膜的石墨化,Co-C纳米复合薄膜组成了一个互不相溶的金属/绝缘体体系;磁性能测试显示薄膜的饱和磁化强度(Ms)和矫顽力(Hc)与Co的含量和颗粒的晶化程度有密切关系;磁电阻测量结果表明Co2.5C97.5薄膜具有高达36％的正GMR效应,GMR效应遵循输运通道的转变机制.     

高功率脉冲磁控溅射制备纳米复合高熵碳化物(CuNiTiNbCr)C_(x)薄膜EI北大核心CSCD

高熵碳化物薄膜的脆性限制了其在高承载、长周期服役条件下的应用。精细设计的纳米复合结构可以在不损失薄膜强度前提下显著提高薄膜的韧性。采用高功率脉冲磁控溅射技术制备以非晶为基体连续相,以碳化物陶瓷相为分散相的非晶-晶体的高熵碳化物(CuNiTiNbCr)C_(x)薄膜,研究不同C_(2)H_(2)气体流量(F_(C))对薄膜成分、结构、力学性能和摩擦学性能的影响。采用能谱仪、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、透射电子显微镜、X射线光电子能谱分析薄膜的成分、形貌、结构及各元素的化学状态,进一步采用纳米压痕以及球-盘式摩擦磨损试验机对薄膜的硬度、模量和摩擦磨损性能进行表征。结果表明,随着乙炔气体流量的增加,薄膜中碳含量逐渐增加,结构从非晶转变为非晶-晶体的纳米复合结构。纳米复合结构薄膜的硬度随着乙炔流量的增加逐渐增加,这是因为薄膜中生成大量碳化物陶瓷相,薄膜硬度最高为20 GPa。纳米复合薄膜呈现优异的摩擦学性能,在F_(C)=3 mL/min时,薄膜的摩擦性能达到最优,其磨损量为2.9×10^(-6)mm^(3)/Nm。综上,采用高功率脉冲磁控溅射技术可以精细调控薄膜结构,制备出强韧一体化、耐磨减摩的纳米复合结构(CuNiTiNbCr)C_(x)薄膜。     

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。     

磁过滤阴极弧法制备CrCN薄膜结构与组分研究

目的通过磁过滤阴极弧沉积技术制备质量优异的CrCN涂层。研究乙炔/氮气混合气体流量以及基底偏压对薄膜结构和成分的影响。方法采用磁过滤真空阴极弧沉积技术,在20~100 m L/min变化的乙炔/氮气混合气体流量参数下沉积CrCN复合薄膜。通过X射线衍射、场发射电子显微镜、扫描探针显微镜、X射线光电子能谱仪、透射电镜,对薄膜的物相结构和形貌进行分析。结果随着气体流量的增加,CrCN复合薄膜的晶粒逐渐减小最终向非晶化转变。TEM结果表明,在CrCN复合薄膜中有大量几纳米到十几纳米的纳米晶浸没在非晶成分中。SPM表明,随着基底偏压由–200 V增大到–150 V,CrCN薄膜的表面粗糙度Sa由0.345 nm上升至4.38 nm。XPS、TEM和XRD数据表明,薄膜中Cr元素主要以单质Cr、Cr N以及Cr3C2的形式存在。结论采用磁过滤真空阴极弧沉积技术制备的CrCN复合薄膜具有纳米晶-非晶镶嵌结构。该方法沉积的CrCN薄膜的表面粗糙度与基底负偏压有关。混合气体的流量变化对薄膜组分的变化几乎无影响。     

激光熔覆和重熔制备Fe-Ni-B-Si-Nb系非晶纳米晶复合涂层

采用激光熔覆和重熔的方法在低碳钢CCS-B上制备Fe-Ni-Si-B-Nb系非晶纳米晶复合涂层。利用X射线衍射、扫描电镜、EDAX能谱及透射电镜分析涂层的物相、组织结构,运用显微硬度计、纳米压痕仪及摩擦磨损试验机研究涂层的显微硬度分布、微观力学性能及摩擦磨损性能。结果表明:熔覆层的组织由表面至基体分为非晶纳米晶复合区、熔覆层与基体,其中,复合区为Fe2B、γ-(Fe,Ni)多晶和非晶相的混合组织;涂层的最高显微硬度达到了1 369 HV;涂层的平均摩擦因数为0.275;涂层的主要磨损形式是磨粒磨损和粘着磨损,具有良好的摩擦磨损性能。     

磁控溅射沉积非晶碳膜微结构及电学性能

在单晶Si (100)基体上,采用闭合场非平衡磁控溅射方法沉积制备了导电非晶碳膜.X射线衍射(XRD)分析表明薄膜呈明显的非晶结构;用XPS分析了薄膜中的碳键结构,碳膜的C1s峰位于284～285 eV之间,Cls峰分峰拟舍得出sp2C的原子数分数为59％左右,碳键以sp2结构为主;四探针法测得薄膜的电阻率为1.32×...     

氩离子溅射刻蚀对Ti-Si-C纳米复合薄膜XPS分析的影响

通过中频非平衡磁控溅射Ti80Si20复合靶在氩气和甲烷混合气氛中沉积Ti-Si-C复合薄膜。采用X射线衍射仪、Raman光谱和X射线光电子能谱分析薄膜微结构。结果显示:制备的薄膜为非晶碳(a-C:Si:H)包裹约10 nm TiC晶粒的复合结构,氩离子溅射刻蚀对XPS分析结果有显著影响。随氩离子刻蚀溅射刻蚀时间增加,薄膜表面C、O原子含量明显降低,而Ti、Si原子含量增加。氩离子溅射刻蚀导致薄膜非晶碳相发生石墨化转变,即sp3C-C(H)/sp2C-C比率减小,同时,C-Ti*/C-Ti和C-(Ti+Ti*)/C-C强度比明显增加。     

多尺度强韧化碳基润滑薄膜的研究进展

随着海洋、空间、核能等苛刻环境工况下机械装备的发展,兼具高硬度、高承载能力、良好韧性及优异摩擦磨损性能的强韧化复合碳基润滑薄膜成为类金刚石薄膜的研究重点。文中系统归纳和评述了碳基薄膜的多元/多相复合、梯度多层、纳米多层、微/纳表界面织构化等强韧化关键技术及其强韧化机制。包括纳米晶—非晶复合结构的界面强化效应和晶界滑移强韧化;功能化梯度/多层结构膜基界面匹配、应力缓冲和微裂纹抑制强韧化;纳米晶—非晶类石墨结构、类富勒烯结构以及微/纳表面织构强韧化机制等。这些技术大幅改善了类金刚石薄膜的韧性,提高了薄膜抗疲劳磨损性能,使其能有效应用于水润滑、油润滑、高温、真空、特殊气氛以及沙尘等极端苛刻环境。文中指出强韧化碳基薄膜将向着应对极端苛刻环境的多尺度复合强韧化、适应复杂多变环境的智能化,以及满足未来空间需求的超长寿命方向发展。     

纳米复合薄膜水润滑摩擦学性能的研究进展

评述了类金刚石基(DLC、a-C)、非晶氮化碳基(a-CNx)、过渡金属氮化物基(TiN、CrN)及其改性纳米复合薄膜的水润滑摩擦学性能,分析了微观结构、梯度结构、元素掺杂、对磨材料及摩擦参数对其水润滑摩擦磨损性能的影响,并揭示了水润滑中纳米复合薄膜存在的摩擦磨损机制,指出了三种纳米复合薄膜体系在水润滑中均可表现出优异的减摩抗磨特性,但与薄膜成分、层状结构、力学性能及对磨材料物理化学性能密切相关。一般而言,相比于过渡金属氮化物基薄膜,类金刚石基及非晶氮化碳基薄膜由于在水润滑中形成转移层和水合润滑层而呈现出更低的摩擦系数和磨损率。当选用的对磨材料易于发生摩擦水合反应时,形成的水合层起到的保护作用使得纳米复合薄膜均表现出了更低的磨损率。在保证薄膜未发生剥落而失效时,适当地加载载荷和滑移速度也是获得最优水润滑摩擦学性能的关键因素。为薄膜应用在水润滑器械作业提供了一定的参考,并展望了纳米复合薄膜水润滑摩擦学未来的研究方向。     

磁控溅射氮分压对Nb-Si-N薄膜结构和性能的影响

用反应磁控溅射法在不同的氮分压下沉积了Nb-Si-N薄膜.结果表明：Nb-Si-N膜的成分、结构和性能随氮分压的改变而不同.随氮分压的增加,Nb-Si-N膜的Nb/Si比和表面粗糙度减小;薄膜的电阻值和微硬度增加.Nb-Si-N膜的结构为纳米晶NbN与类似Si3N4非晶相组成的纳米复合结构,且随着氮分压的增加,Nb-Si-N膜的非晶倾向增强,晶粒尺寸减小.     

氮对纯钛表面类金刚石薄膜内应力与附着力的影响(英文)

采用脉冲电弧离子镀膜法于不同氮含量条件下在纯钛表面制备类金刚石膜(DLC)。利用扫描电镜观察分析不同氮含量下薄膜的表面形貌及能谱分析薄膜成分,显微压痕仪对比分析不同氮含量对薄膜厚度和硬度的影响。试验结果表明随工艺中氮气/甲烷比值的增大,薄膜中氮含量随之增大。氮掺入DLC薄膜后,改变了薄膜的微观结构,产生几十纳米量级的颗粒。SEM、XPS分析表明纳米颗粒是富氮的非晶氮化碳CNx结构。DLC/CNx致密的纳米复合结构,减小了薄膜的内应力,提高了薄膜对衬底的附着力。     

硅烷流量对钛合金双极板表面改性碳膜性能的影响

目的通过对钛合金基底进行表面改性,提高其作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)金属双极板的耐蚀导电性能。方法通过等离子体增强化学气相沉积法(PECVD),调控不同的Si H4流量(0～10 mL/min),在钛基底表面制备了含硅非晶碳膜。利用电化学工作站、界面接触电阻测量仪、水接触角测量仪、纳米压痕仪,分别测试了薄膜的耐蚀性、导电性、疏水性和力学性能。通过拉曼光谱分析了腐蚀前后薄膜内部杂化比变化,并结合扫描电子显微镜和高分辨透射电子显微镜研究了薄膜厚度、腐蚀形貌和内部结构。结果 SiH4流量为8m L/min时,制备的含硅非晶碳膜具有最佳耐蚀性和导电性,该含硅非晶碳膜水接触角为102.91°,硬度为9.28 GPa,弹性模量为60.34 GPa,厚度为2.822μm。其动电位腐蚀电流密度为0.017μA/cm2,相比钛基底提升3个数量级(80.51μA/cm~2),在1.4 MPa压力下,其界面接触电阻为47.06 mΩ·cm~2。结论硅的引入诱导非晶碳膜生成类石墨烯结构,提高了非晶碳膜的导电性能和耐蚀性能,提升了薄膜的力学性能及疏水性。用含硅非晶碳膜对钛双极板进行表面改性,有望显著提高极板的燃料电池性能。     

非对称双极脉冲磁控溅射制备Ti-Co-La-N纳米薄膜性能

利用非对称双极脉冲磁控溅射制备了不用Co-La掺杂量的Ti-Co-La-N纳米复合薄膜.分别用扫描电子显微镜、X射线衍射、纳米压痕仪、划痕仪以及摩擦磨损仪研究了薄膜的表面形貌、结合力、显微硬度和摩擦学性能.结果表明:复合薄膜主要有TiN相、Co2N相和LaN相组成;复合膜的纤维硬度达到14.61 GPa,低于TiN的显微硬度;复合薄膜的显微硬度和结合力都随着Co-La掺杂量的增加而降低;在高速钢基体上复合薄膜的摩擦系数达到了0.6.     

TiCrAlSiCN薄膜微观结构与性能

采用工业化多弧离子镀在H13钢表面制备高硬度、高结合强度和低摩擦耐磨的TiCrAlSiCN硬质薄膜,以便改善H13钢的力学和摩擦学性能。借助扫描电子显微镜、X射线衍射、X射线光电子能谱仪、透射电子显微镜、维氏显微硬度计、膜划痕试验法、摩擦磨损仪对TiCrAlSiCN薄膜的结构特征、力学性能和摩擦磨损性能进行测试与分析。结果表明,TiCrAlSiCN薄膜结构为纳米晶/非晶复合结构。高Si含量的TiCrAlSiCN薄膜200晶面呈择优取向、硬度为3934 HV0.01和2536 HV0.025、摩擦因数为0.65、磨损率为7.36×10-6 mm3·N-1·m-1、膜基结合力为62.4 N。随Si含量降低,Cr和C含量增大,薄膜无明显的择优取向,开始向各向同性转变,硬度为3613 HV0.01和2815 HV0.025、摩擦因数为0.48、磨损率为7.28×10-6 mm3·N-1·m-1、膜基结合力为68.2 N。低Si含量TiCrAlSiCN薄膜力学和摩擦学性能优异。     

聚合物材料表面耐磨性能提升用非晶碳基薄膜的研究进展

硬度低、耐磨性能差等固有缺点已成为限制聚合物材料在一些苛刻环境中工业应用的重要因素。为了改善表面硬度和耐磨性能,多种表面改性技术被用于聚合物材料的耐磨防护,其中在聚合物材料表面制备一层非晶碳薄膜被认为可有效提高材料表面硬度和耐磨性能。综述了聚合物材料表面耐磨性能提升用非晶碳基薄膜的研究进展,分析了非晶碳基薄膜在聚合物材料表面膜基结合强度不足的本质原因,聚合物材料与非晶碳薄膜两种材料在结构和性质上的不匹配使两者之间的突变界面在载荷作用下极易发生失稳,造成了膜基结合强度的不足。探讨和对比了目前常用于改善非晶碳基薄膜在聚合物材料表面膜基结合强度的改性技术。其中,利用等离子体对聚合物材料表面进行处理,可以诱导材料表面有机碳质结构向无机碳质结构的逐渐转变,使非晶碳薄膜在聚合物材料表面获得可靠结合强度。利用等离子体处理法可以在聚合物基体表面构建原位转变层,原位转变层通过化学键的形式,为非晶碳薄膜在基体表面获得了可靠的膜基结合强度,有效提高了聚合物材料表面的硬度和减摩耐磨性能。     

含硅无氢非晶碳基薄膜的摩擦磨损性能

为了研究Si掺杂对无氢非晶碳基薄膜摩擦磨损性能的影响,利用直流磁控溅射技术在单晶硅和304不锈钢基底上沉积不同Si含量的无氢非晶碳基薄膜。采用SEM、Raman光谱、纳米压痕仪等分析手段对薄膜的成分、结构和力学性能进行表征。利用球盘式往复摩擦试验机测试薄膜在无润滑条件下的滑动摩擦磨损性能。结果表明:Si掺杂能降低薄膜内应力和促进sp3杂化,高于10%的Si原子导致薄膜硬度增加。在不同湿度条件下,Si掺杂并未明显影响溅射无氢非晶碳基薄膜的摩擦因数;相反,含Si薄膜在不同测试条件下都具有较高的磨损速率。薄膜磨损速率随相对湿度增加而减小,随Si含量增加而增加;高Si含量薄膜在低湿度条件下具有明显不稳定的摩擦因数和显著增加的磨损速率。这意味着在设计和发展性能优异的无氢非晶碳基摩擦学涂层时,应充分考虑Si掺杂导致的性能损失。     

钛掺杂无氢类金刚石薄膜疏水性能研究

采用MEVVA离子源复合磁控溅射沉积系统,在钛合金Ti6Al4V基体上制备Ti掺杂DLC薄膜,研究Ti掺杂对DLC薄膜疏水性能的影响。通过X射线能谱仪（EDS）、X射线光电子谱（XPS）、原子力显微镜（AFM）分别对薄膜的组分、化学键以及表面形貌进行分析;通过测量静态接触角分析薄膜的润湿性并计算薄膜的表面能。结果表明：Ti掺杂DLC膜明显提高疏水性能,水接触角最高达到105°。薄膜中sp2C杂化键组分增加以及表面形成Ti-O键,是导致薄膜表面能降低的重要因素