a-C:F:H薄膜的化学键结构

使用CF4和CH4为源气体,利用射频等离子体增强化学气相沉积法,制备了a-C:F:H薄膜样品.采用拉曼光谱仪、傅里叶变换红外光谱仪、X射线光电子能谱仪(XPS)对薄膜的结构进行了测试和分析.研究发现:该膜呈空间网状结构,膜内碳与氟、氢的结合主要以sp3形式存在,而sp2形式的含量相对较少;在薄膜内主要含有C-Fx(x=1,2,3)、C-C、C-H2、C-H3等以及不饱和C=C化学键;同时,薄膜中C-C-F键的含量比C-C-F2键的含量要高.在不同功率下沉积的薄膜,其化学键结构明显不同.     

硬质合金基体金刚石薄膜摩擦学性能研究的进展

硬质合金基体表面沉积金刚石薄膜可以提高其硬度和耐磨性,延长其使用寿命,有效保护和节约钨、钴等稀有金属。作为一种多晶膜,金刚石薄膜的摩擦系数直接影响了其在摩擦学领域的应用。对近年来硬质合金基体表面CVD金刚石薄膜的摩擦磨损性能的研究状况进行了阐述,分析了CVD金刚石薄膜在摩擦实验过程中的摩擦磨损机制,并对金刚石薄膜在摩擦学领域中的应用研究进行了展望。     

纳米金刚石薄膜涂覆钛合金的摩擦学性能

医用钛合金(Ti6Al4V)具有低密度、高强度、耐腐蚀等优点而应用广泛,但是其耐磨性差.采用微波等离子体化学气相沉积法在医用钛合金上沉积金刚石薄膜,经喇曼光谱检测为纳米金刚石结构,原子力显微镜测试其晶粒尺寸为40 nm左右,表面粗糙度Ra=39 nm(视场10×10μm).在SiC球为摩擦副的干摩擦实验中,在2 N载荷下,摩擦因数在0.25左右,并且没有出现任何薄膜破裂或剥落现象.实验结果表明,钛合金表面沉积纳米金刚石薄膜后明显提高了耐磨性,薄膜的表面粗糙度和形貌是影响其摩擦学性能的关键因素.     

类金刚石薄膜的摩擦学特性研究进展

类金刚石薄膜(DLC)具有优良的摩擦磨损性能,但是DLC薄膜的摩擦学特性强烈依赖于制备技术、摩擦接触点的表面化学状态和物理状态,因此进一步提高类金刚石薄膜的摩擦学特性是目前的热门研究方向之一.在综合分析了近年来该领域研究的基础上,总结了影响DLC薄膜摩擦学性能的因素,并分析了各个因素的影响机理,以期找出一些规律为适应类...     

超高分子量聚乙烯表面沉积类金刚石膜的摩擦磨损性能

利用射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)技术在超高分子量聚乙烯(UHMWPE)表面制备类金刚石(DLC)膜,用激光拉曼(Raman)光谱仪和扫描电子显微镜(SEM)分析了DLC膜的形貌及结构特征,纳米硬度法测定DLC膜的纳米硬度。并在UMT-Ⅱ型摩擦磨损试验机上评价了DLC膜在牛血清溶液润滑条件下的摩擦磨损性能。结果表明,UHMWPE表面制备的DLC膜具有典型类金刚石薄膜的Raman光谱特征,属含氢a-C:H膜。表面沉积DLC膜可有效提高UHMWPE的表面硬度,改善表面润湿性能。25%牛血清润滑条件下,DLC膜UHMWPE的摩擦因数有所升高,但磨损率则有明显下降。UHMWPE磨损表面存在严重的犁削磨损和塑性变形,DLC膜磨损表面主要以剥层磨损为主。     

掺杂类金刚石薄膜微观结构和摩擦学性能的研究进展

类金刚石(Diamond like carbon,DLC)薄膜具有高硬度、低摩擦系数、低磨损率的特点,已广泛应用于各行各业,但也存在内应力大、热稳定性差以及摩擦学性能对环境敏感等问题,制约了DLC薄膜的应用.在DLC薄膜中,掺入异质元素能够改变薄膜成分、微观结构和sp3杂化键含量,可有效地减小薄膜内应力,提高结合力并改...     

直流反应磁控溅射制备 a-C:H 薄膜及其表面粗糙度研究

为研究含氢类金刚石(a-C:H)薄膜的制备及性能,充入含—CH3原子团的CH4气体,在不同CH4/Ar流量比条件下于N型硅基底上沉积a-C:H薄膜,并借助椭偏仪、非接触式白光干涉仪及激光波面干涉仪对薄膜的沉积速率及表面粗糙度进行测定。结果表明,含氢碳源气体的加入提高了类金刚石薄膜的沉积速率,改善了表面平整度。     

类金刚石碳薄膜的高温摩擦学研究进展

现代工业的迅猛发展迫使愈来愈多的机械零部件需要在高温下运转,因此高温润滑材料的匹配发展至关重要。在摩擦表面沉积固体润滑薄膜是降低高温下机械装备的摩擦与磨损,提高其使用寿命和可靠性的有效手段。近年来,类金刚石碳(Diamond-like carbon,DLC)薄膜的高温摩擦学得到了广泛研究,并取得了一些重要的进展。大量研究表明,通过适当的元素掺杂可以显著提高DLC薄膜的高温摩擦学性能。首先分别综述了纯碳DLC薄膜、含氢DLC薄膜、Si掺杂DLC薄膜、金属元素掺杂DLC薄膜、元素共掺杂DLC薄膜的高温摩擦学研究进展。通过总结文献中的数据,绘制了各种DLC薄膜的摩擦系数随温度的变化曲线,进而确定了各种薄膜的有效润滑温域。在此基础上,提出了几种有望实现宽温域连续润滑的DLC薄膜新体系,并分析了DLC薄膜的高温润滑失效机理,强调了分子/原子的热扩散和薄膜的热应力在DLC薄膜高温润滑失效中的作用。最后,从提高DLC薄膜自身的高温摩擦学性能和提高DLC薄膜与基材的高温结合性能两个方面,对今后亟待开展的研究工作进行了展望。     

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。     

IBED Si_3N_4和TiN薄膜的成份、结构与摩擦学性能

本文考察了工艺参数对离子束增强沉积（IBED）氮化硅、氮化钛薄膜的成分和微观组织的影响。测定了薄膜的硬度以及薄膜与基体之间结合力，分析了成分和结构与薄膜的硬度和结合力的关系。考察了在不同载荷和速度条件下St_3N_4、TiN薄膜和52100钢试样的摩擦系数和耐磨性。结果显示，与无膜的52100相比，IBEDSt_3N_4和IBEDTiN的耐磨性成倍提高。探讨了薄膜的磨损机理。     

氩气流量对非晶碳膜结构及力学和摩擦学性能的影响

目的 提升9Cr18不锈钢表面的耐磨损性能.方法 在不同氩气流量条件下,采用激光引弧磁过滤阴极电弧离子镀制备非晶碳膜.利用拉曼光谱、X射线光电子能谱仪(XPS)和原子力显微镜(AFM)表征薄膜的微观结构和化学态.利用薄膜综合性能测试仪和大气球-盘摩擦试验机,测试薄膜的力学性能和摩擦学性能.结果 拉曼光谱分析表明,随着氩气流量从0 mL/min增大到80 mL/min,ID/IG值从0.62逐渐增大到2.84,而G峰的半高宽随着氩气流量的增大而降低.XPS分析表明,随着氩气流量的增加,薄膜中sp3杂化键含量逐渐降低,氩气流量为0 mL/min时,sp3杂化键的原子数分数为55.1％,氩气流量为80 mL/min时,sp3杂化键的原子数分数降低至31.0％.氩气流量为0 mL/min时,制备的薄膜硬度和弹性模量最大,分别为46.4 GPa和380.5 GPa.不同氩气流量制备的薄膜,其摩擦系数为0.1～0.2,薄膜的磨损率随着氩气流量的增加而增大.结论 氩气流量对非晶碳膜的耐磨性能具有显著的影响,氩气流量为0 mL/min时,所制备的薄膜的磨损率为3.8×10–17 m3/(m·N),相较氩气流量为80 mL/min时所制备薄膜的磨损率(1.1×10–16 m3/(m·N))降低了1个数量级,说明其具有优异的耐磨损性能.     

离子源功率对a-C:H(Al)薄膜结构及性能的影响

目的研究离子源功率对a-C:H(Al)薄膜结构及性能的影响。方法采用阳极离子源离化CH_4气体,中频磁控溅射Al靶,通过改变离子源功率,在n(100)型单晶硅及16Mn Cr5钢基体上沉积a-C:H(Al)薄膜。利用扫描电镜、维氏显微硬度计、摩擦磨损试验机和表面轮廓仪等设备对a-C:H(Al)薄膜的结构及性能进行表征。结果薄膜的硬度均在1000HV以上。摩擦系数较低,为0.05~0.15。离子源功率为450 W时,薄膜摩擦系数和结合力均出现了最优值,分别为0.05和21.46 N。离子源功率在550 W时,磨损率达到最低值,为3.59×10~(-7) mm~3/(N·m)。结论离子源功率较低时,薄膜表面较疏松,随着离子源功率的增加,薄膜逐渐趋于平整致密。随离子源功率的增加,薄膜的硬度增大,薄膜的结合力先增大后减小,而薄膜的摩擦系数先减小后增大,磨损宽度减小,磨损深度降低,磨损率减小。     

氟含量对类金刚石薄膜结构及摩擦学性能的影响

采用直流等离子体沉积的方法制备了具有不同氟含量的类金刚石薄膜。并利用多功能X射线光电子能谱仪(XPS)、拉曼光谱仪、纳米压痕仪、应力测试仪和摩擦磨损试验机等手段分析和研究了含氟类金刚石薄膜的结构、力学性能以及摩擦学性能,并利用场发射扫描电镜(SEM)观察了薄膜断面形貌。结果表明:所制备薄膜的力学性能和摩擦学性能均受到薄膜中氟含量的影响,当F含量(原子数分数)为5.92%时,薄膜显示了优异的力学性能及摩擦学性能,硬度值高达21GPa,压应力低至0.75GPa,摩擦因数为0.013,磨损率为9×10-19 m3/(N.m)。     

Effect of Ti Incorporation on the Microstructure and Properties of the a-C:H Films Deposited by Magnetron Sputtering Technique

Amorphous hydrogenated carbon(a-C:H)and Ti-incorporated a-C:H(Ti/a-C:H)films were deposited by magnetron sputtering with a mixture gas of CH4 and Ar.The effect of the Ti incorporation on the chemical composition,microstructure and properties of the as-deposited and the annealed films were investigated by various techniques.It has been shown that the bonding structure and the internal stress were sensitive to the incorporation of the Ti atoms.The results of the XPS revealed that the concentration of Ti atom on the surface of the film increased when the Ti/a-C:H film annealed at 300oC.The tribologcial properties of the(Ti/)a-C:H films changed greatly after annealed,due to the graphitization,oxidation of carbon,and so forth.It compared and discussed in detail the change of the microstructure and properties of the a-C:H and Ti/a-C:H films before and after annealed     

聚合物热解制备硬质碳膜及其摩擦学性能表征

合成了一种新型碳基骨架聚合物一聚碳苯，将其溶解于有机溶剂中，通过旋涂法涂覆于耐热钢表面，在常压、惰性气体保护下，经过高温热处理得到碳薄膜。利用X射线光电子能谱和原子力显微镜考察了热处理温度对碳膜的微观结构和表面形貌的影响，同时利用纳米压入仪和球盘摩擦试验机考察了不同温度制备的薄膜的纳米硬度和摩擦学特性。结果表明：热处理温度为600～1000℃可以得到具有sp3-c和sp2-c混合相的碳薄膜，随着热处理温度的升高，薄膜中sp2-c含量增加，均方根粗糙度(RMS)增加；热处理温度为800℃时制备的碳薄膜具有最高的纳米硬度；在室温干摩擦条件下，当热处理温度从600℃提高到700℃时，薄膜的摩擦因数有明显的降低，随着温度的进一步升高，摩擦因数只有轻微的降低；薄膜的耐磨寿命随着热处理温度的提高而逐渐增加。     

C2H2流量对反应溅射石墨制备非晶碳膜层结构及性能影响研究

目的 研究反应溅射石墨制备非晶碳过程中乙炔流量变化对非晶碳微观结构、力学性能及摩擦学性能的影响规律。方法 通过在乙炔气氛中反应溅射石墨靶,调控乙炔流量,制备不同结构的非晶碳膜层,采用X射线光电子能谱仪、激光共聚焦拉曼光谱仪分析膜层的微观结构,采用纳米压痕仪表征膜层的力学性能,采用球盘式摩擦磨损试验机、白光干涉仪和光学显微镜表征膜层摩擦学性能。结果 通过反应溅射法制备了致密均匀的非晶碳,分析发现,所有薄膜表层均含有一定量O元素(原子数分数为6.36%~13.86%)。经Ar⁺刻蚀后,大部分膜层的O含量可降至1%以下;随着乙炔流量的增加,膜层的硬度(H)、弹性模量(E)和H³/E²均呈先增后减的趋势,在乙炔流量为10 cm³/min时膜层的硬度和弹性模量达到最大值,分别为27.93、233.55 GPa;摩擦学性能测试结果显示,膜层的平均摩擦因数在0.09~0.11之间,在启动阶段摩擦因数随着氢元素(H)含量的增加呈下降趋势,5 cm³/min试样的膜层的耐磨性最高、磨损量最小,其磨损量为0.72× 10⁻¹⁶ m³/(N.m)。结论 通过调节反应溅射石墨过程中乙炔的流量,可调控非晶碳中sp³/sp²、H含量,进而达到调控非晶碳力学性能、摩擦学性能的目的。     

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。     

梯度掺杂和纳米多层调制类金刚石薄膜的摩擦学性能

采用阴极电弧结合离子源辅助磁控溅射复合技术,充分利用薄膜组成多元化、晶体纳米化、组成和结构多层化、梯度化的优势,分别制备了多元素复合过渡层缓冲的钨元素梯度掺杂的和Cr元素纳米多层调制的类金刚石(DLC)薄膜,研究掺杂元素含量和调制层厚度对薄膜组成与结构、力学性能和摩擦磨损性能的影响。梯度掺杂、多元、多层结构降低了DLC膜和钢基体之间因组成和结构不同产生的应力,改善了膜基结合力,材料综合耐磨损性能大幅度提高。