AZ31表面混合碳源制备DLC薄膜的结构和性能

为了提高镁合金的耐蚀性和耐磨性,扩大镁合金的应用,节能减排,保护环境,采用绿色环保的磁控溅射技术在AZ31表面制备了强保护性的DLC薄膜。采用X射线小角掠入射研究薄膜的物相结构,借助扫描电镜观察薄膜表面形貌、横截面形貌和腐蚀形貌,采用纳米压痕仪测试薄膜的力学性能,分别采用电化学工作站和摩擦磨损试验机研究薄膜的耐蚀性和耐磨性,膜基的结合性能采用划痕试验评估。结果表明,薄膜为无定形碳结构,随着活性气体流量的增加,薄膜结构由非晶向纳米晶转变。薄膜与基体结合良好,结合力19~25 N。薄膜表面具有弥散分布的不规则颗粒,且表面粗糙度受活性气体流量影响明显。薄膜厚度1.15~1.18μm,活性气体流量对薄膜厚度影响很小。随着活性气体流量的增加,DLC薄膜的硬度和杨氏模量增大,其最大值分别为17.35 GPa和94 GPa;摩擦系数和磨损率降低,其最小值分别为0.103和6.45×10^-10mm³/(N·m)。活性乙炔流量5 mL/min时,薄膜的耐蚀性能最好,活性乙炔流量10 mL/min时,薄膜的耐磨性能最好。     

退火处理对DLC薄膜结构及摩擦学性能的影响

目的研究退火处理对DLC薄膜结构及摩擦学性能的影响,并讨论它们之间的相互关系。方法采用平板空心阴极等离子体增强化学气相沉积系统,以C2H2和Ar作为反应气源制备DLC薄膜,将DLC薄膜在大气环境中进行不同温度的退火处理。采用扫描电子显微镜、Raman光谱仪及金相显微镜、薄膜应力测试仪及球-盘摩擦实验仪等,对退火处理前后的DLC薄膜结构、应力及摩擦学性能等进行测试分析。结果在较低温度(?≤300℃)下退火,随退火温度的增加,薄膜中sp3-C的相对含量缓慢减少,结构没有发生明显的变化,内应力降低,薄膜的摩擦系数变化趋势相同,且随退火温度的增加,摩擦系数达到平稳的趋势发生得更早。在400℃退火温度下,DLC薄膜的结构发生了明显的改变,且表面发生了一定的氧化,初始摩擦系数较高,随摩擦时间的延长,薄膜的摩擦系数降低,同时稳定后的摩擦系数(～0.16)较低温退火的DLC薄膜高。在450℃退火温度下,DLC薄膜结构发生了明显的改变,并出现了严重的氧化,摩擦学性能严重恶化并迅速失效。结论退火温度的选择对DLC薄膜的结构及摩擦学性能具有重要影响。     

AZ31表面混合碳源制备DLC薄膜的结构和性能

为了提高镁合金的耐蚀性和耐磨性,扩大镁合金的应用,节能减排,保护环境,采用绿色环保的磁控溅射技术在AZ31表面制备了强保护性的DLC薄膜。采用X射线小角掠入射研究薄膜的物相结构,借助扫描电镜观察薄膜表面形貌、横截面形貌和腐蚀形貌,采用纳米压痕仪测试薄膜的力学性能,分别采用电化学工作站和摩擦磨损试验机研究薄膜的耐蚀性和耐磨性,膜基的结合性能采用划痕试验评估。结果表明,薄膜为无定形碳结构,随着活性气体流量的增加,薄膜结构由非晶向纳米晶转变。薄膜与基体结合良好,结合力19～25 N。薄膜表面具有弥散分布的不规则颗粒,且表面粗糙度受活性气体流量影响明显。薄膜厚度1.15～1.18μm,活性气体流量对薄膜厚度影响很小。随着活性气体流量的增加,DLC薄膜的硬度和杨氏模量增大,其最大值分别为17.35 GPa和94 GPa;摩擦系数和磨损率降低,其最小值分别为0.103和6.45×10^-10 mm³/(N·m)。活性乙炔流量5 mL/min时,薄膜的耐蚀性能最好,活性乙炔流量10 mL/min时,薄膜的耐磨性能最好。     

Cr/WC/DLC薄膜的多环境摩擦学性能

采用磁控溅射法,在304不锈钢上制备Cr/WC/DLC多层梯度过渡类金刚石薄膜,利用场发射扫描电子显微镜(SEM)、拉曼光谱仪(Raman)、纳米压痕仪、划痕测试仪等分析薄膜的微观结构和力学性能,利用UMT-3多功能摩擦磨损试验机考察其在大气、去离子水、发动机油3种环境下的摩擦学性能。结果表明:该薄膜的多层梯度设计使其膜基间结合力得到了有效改善,且硬度高达32.6GPa,在3种环境下均具有优异的摩擦学性能。在大气环境下,薄膜具有较低的平均摩擦因数,为0.094;但具有3种环境下最大的磨损率,为7.86×10-8 mm3(N·m)-1;在去离子水环境下,薄膜的平均摩擦因数较高,为0.124;而其磨损率较低,为5.26×10-8 mm3(N·m)-1;在发动机油环境下,固-油复合润滑效应使薄膜具有更加优异的摩擦学性能,其平均摩擦因数和磨损率均为3种环境下的最小值,分别为0.065和4.44×10-8 mm3(N·m)-1。     

负偏压对低温沉积TiN薄膜表面性能的影响

研究了在低温磁控溅射沉积TiN薄膜过程中,负偏压对基体温度、薄膜表面性能、薄膜与基体界面结合强度以及摩擦学性能的影响.研究结果表明,加负偏压条件下,明显提高基体温度,有益于晶粒细化,提高硬度,改善色泽,提高TiN/基体的界面结合强度,但会引起表面轻微的粗糙化;摩擦学试验表明,负偏压对低温磁控溅射TiN薄膜及其摩擦副的摩擦磨损性能的影响较明显.     

脉冲偏压对直流磁控溅射沉积MoN薄膜结构及性能的影响

MoN薄膜是一种具有潜在应用价值的薄膜材料,但对于其结构和性能的研究还较少。采用直流磁控溅射技术在304不锈钢基体表面沉积MoN薄膜,研究了脉冲偏压对MoN薄膜结构和性能的影响,并系统研究了MoN薄膜在不同摩擦条件下的摩擦磨损行为。采用X射线衍射仪和扫描电镜分析薄膜的晶相结构、晶粒尺寸、表面及断面形貌,采用HMV-2T显微硬度仪测试薄膜的显微硬度。采用UMT-TriboLab多功能摩擦磨损试验机评价薄膜的摩擦磨损性能,并用扫描电镜观察磨损表面,分析其磨损机制。结果表明：脉冲偏压显著影响直流磁控沉积的MoN薄膜的晶相结构、表面形貌、断面结构、硬度和摩擦磨损性能;随脉冲偏压的增大,MoN薄膜的膜厚、硬度都先增大后减小,而薄膜的磨损率却先减小后增大,其中-500 V脉冲偏压下沉积的MoN薄膜具有最高硬度为7731 N/mm²,以及最低的磨损率为5.8×10^-7 mm³/（N·m）。此外,MoN薄膜在不同载荷和转速的摩擦条件下表现出不同的摩擦学行为。     

橡胶表面粗糙度对DLC薄膜摩擦学性能的影响

目的 探究三元乙丙橡胶(EPDM)表面粗糙度对DLC薄膜和Cr/DLC的微观结构、附着力、摩擦学性能的影响,并阐明Cr中间层对橡胶表面DLC薄膜的作用。方法 使用砂纸打磨EPDM橡胶得到不同的表面粗糙度。采用非平衡磁控溅射技术在不同粗糙度的橡胶基体表面沉积无中间层的类金刚石碳基薄膜(DLC)及有Cr中间层的类金刚石碳基薄膜(Cr/DLC)。使用二维轮廓仪获得基体及薄膜的表面粗糙度,通过扫描电子显微镜以及拉曼光谱对薄膜的表面形貌和结构成分进行分析,并采用X切割试验和摩擦磨损试验分别评估DLC薄膜的附着力和摩擦学性能。结果 基体表面粗糙度对薄膜的微观结构没有显著影响,但却对薄膜附着力以及摩擦学性能有较大的影响。薄膜附着力随着基体粗糙度的增加呈现先增大后减小的趋势,当基体表面粗糙度为1 100 nm时,DLC薄膜具有最强的附着力和最佳的摩擦学性能。此外,Cr中间层的引入对提高薄膜附着力和承载能力起到了积极的作用。结论 适当增加基体表面粗糙度可以增强DLC薄膜的附着力,改善薄膜的摩擦学性能。Cr中间层可以提高薄膜的承载能力,从而提高薄膜的耐磨性。     

H_2/CH_4流量比对含氢DLC薄膜结构及摩擦学性能的影响

利用等离子体增强化学气相沉积法在Si(100)基体上制备不同H2/CH4流量比下的类金刚石薄膜,采用拉曼光谱、红外光谱、扫描电子显微镜(SEM)、纳米力学性能综合测试仪以及摩擦磨损试验机对薄膜的组织结构、力学以及摩擦学性能进行了分析。结果表明:该条件下制备的薄膜具有典型的类金刚石结构且膜中氢含量较高,薄膜表面光滑,膜层致密且均匀,薄膜的硬度及与基底的附着力均随着H2/CH4流量比的增加而降低。薄膜在大气环境下具有优异的摩擦学性能,在相同的载荷及转速条件下,H2/CH4流量比对薄膜的摩擦因数影响不大。当载荷为5N时,随着转速的增加,摩擦因数降低;而载荷为10N时,摩擦因数约为0.05,转速对其影响较小。薄膜的磨损率在10-8~10-7 mm3/Nm之间变化,且随H2/CH4流量比的增加而增大。     

基片偏压模式对高功率脉冲磁控溅射CrN薄膜结构及成分影响研究

针对高功率脉冲磁控溅射(HPPMS)的缺点,结合沉积技术(PBII&D)技术,提出了一种新的处理方法——高功率脉冲磁控放电等离子体离子注入与沉积技术(HPPMS-PIID)。本实验采用该技术在不锈钢基体上制备了CrN薄膜,分别采用3种偏压模式:无偏压、–100V直流偏压和–15kV脉冲偏压,对比研究了CrN薄膜形貌、结构、成分及性能发生的变化。结果表明:该方法制备的薄膜表面平整、晶粒排列致密,呈不连续的柱状晶生长。相结构单一,主要是CrN(200)相。由于负高压脉冲将大部分进入鞘层的离子都吸引到工件沉积,薄膜沉积速率得到较大提高。另外强烈的高能离子的注入与轰击,使得薄膜的结合力高达57.7N。     

基片偏压模式对高功率脉冲磁控溅射CrN薄膜结构及成分影响研究

针对高功率脉冲磁控溅射（HPPMS）的缺点,结合沉积技术（PBII&D）技术,提出了一种新的处理方法——高功率脉冲磁控放电等离子体离子注入与沉积技术（HPPMS-PIID）。本实验采用该技术在不锈钢基体上制备了CrN薄膜,分别采用3种偏压模式：无偏压、–100 V直流偏压和–15 kV脉冲偏压,对比研究了CrN薄膜形貌、结构、成分及性能发生的变化。结果表明：该方法制备的薄膜表面平整、晶粒排列致密,呈不连续的柱状晶生长。相结构单一,主要是CrN (200)相。由于负高压脉冲将大部分进入鞘层的离子都吸引到工件沉积,薄膜沉积速率得到较大提高。另外强烈的高能离子的注入与轰击,使得薄膜的结合力高达57.7 N。     

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)。     

聚碳酸酯表面射频磁控溅射类金刚石薄膜的摩擦学性能

采用射频磁控溅射方法在聚碳酸酯片(PC)上沉积了类金刚石薄膜。利用激光拉曼光谱和扫描电子显微镜对薄膜的形貌及结构进行分析;采用表面粗糙度仪和球—盘式摩擦磨损试验机对薄膜的摩擦学性能进行测试。结果表明:利用射频磁控溅射方法在聚碳酸酯片上沉积的薄膜具有类金刚石特征;射频功率和直流偏压对sp3键含量有较大影响,并影响镀膜后聚碳酸酯材料的表面粗糙度。     

沉积偏压对MoN涂层结构和柴油中摩擦学性能的影响

目的 研究沉积偏压对MoN涂层微观结构、性能,以及在柴油介质中摩擦学行为的影响机制。方法 采用磁控溅射技术在304不锈钢基体上沉积MoN涂层。利用X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪、X射线能谱仪、原子力显微镜、纳米压痕仪、薄膜应力测试仪和电化学工作站研究MoN涂层的微观结构、成分、表面粗糙度、力学性能、耐腐蚀性能。利用球−盘式摩擦实验机和激光拉曼光谱仪对MoN涂层在0号柴油中的摩擦学行为及机制进行研究。结果 随着偏压的增加,涂层的厚度和膜−基结合力均呈先增大后减小的趋势;涂层的表面粗糙度、内应力和硬度呈先升高后降低的趋势。在偏压为−120 V时,沉积的γ-Mo2N涂层组织致密、表面光滑(Sa 7.78 nm)、硬度高(18.02 GPa)、膜−基结合力高(253 mN)。随着偏压的增加,涂层的摩擦因数呈先减小后增加的趋势。在偏压为−120 V时,沉积的γ-Mo2N涂层的摩擦因数和磨损率均最小,分别为0.10和1.8×10⁻⁷ mm³/(N∙m)。拉曼光谱分析结果表明,在摩擦催化作用下,柴油在磨痕表面产生了碳基膜。此外,通过电化学腐蚀分析发现,在偏压−120 V下沉积的γ-Mo2N涂层具有优异的耐腐蚀性能。结论 MoN涂层结构、性能受到偏压的影响显著。柴油在摩擦催化作用下发生了降解,形成了碳基膜,这有利于降低MoN涂层的摩擦因数和磨损率。     

不同掺杂对类金刚石薄膜的影响

目的研究单掺Si和共掺Ag、Si对类金刚石薄膜的结构、摩擦学性能和耐腐蚀性能的影响。方法以高纯石墨靶、石墨与金属复合靶、Si靶作为靶材,采用射频增强磁控溅射技术制备不同掺杂种类的薄膜。通过XPS、拉曼光谱仪对薄膜的化学组成和结构进行分析,通过纳米压痕仪、摩擦磨损试验机、电化学工作站等,对薄膜的力学性能、摩擦学性能及耐腐蚀性能进行了系统研究。结果 Si元素单掺DLC会引起薄膜中sp~3C含量增加。Ag、Si共掺DLC后,由于Ag以金属相分布在薄膜中,并促进sp~2相的形成,导致sp~3C含量降低。掺杂元素后的DLC薄膜,硬度下降,但韧性提高,其中Ag、Si共掺的DLC薄膜的弹性恢复系数达到79%。此外,Ag、Si共掺DLC薄膜在多种气氛(Ar、O_2、N_2)中都具有优异的摩擦学性能,磨损寿命均超过30 min,其中在N_2气中的摩擦系数最低(0.1),并在NaCl溶液中的腐蚀电流密度比304不锈钢基体降低了近2个数量级,具有良好的耐腐蚀性。结论 Si与Ag共掺DLC薄膜较Si单掺薄膜具有更好的摩擦环境适应性和耐腐蚀性能。     

沉积压力对磁控溅射WS2薄膜摩擦学性能的影响

目的研究不同沉积压力对磁控溅射WS2薄膜微观结构、力学性能和摩擦学性能的影响。方法采用射频磁控溅射法制备WS2薄膜。利用扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对薄膜微观形貌、成分和晶相结构进行表征。用纳米压痕仪、摩擦磨损试验机和白光干涉三维形貌仪测试薄膜的力学性能和摩擦磨损性能。结果随着沉积压力增大,WS2薄膜疏松多孔结构明显降低,粗大柱状晶显著细化,薄膜致密度得到有效改善。沉积压力大于0.8Pa时,WS2薄膜表现出明显的(101)晶面择优取向。WS2薄膜硬度变化与薄膜中S/W原子比变化趋势相反,弹性模量逐渐减小。沉积压力0.4 Pa时,由于WS2薄膜大部分易滑移(002)晶面平行于基体表面,摩擦系数最低,为0.092,但其耐磨性能最差。沉积压为1.6 Pa时,WS2薄膜的磨损率最低,为2.34×10^-7 mm^3/(N·m),表现出良好的耐磨性能。结论改变沉积压力可以显著提高WS2薄膜致密度,改善薄膜的力学性能,提升WS2薄膜的摩擦磨损性能。     

沉积压力对磁控溅射La-Ti/WS2复合薄膜结构和摩擦学性能的影响

目的研究不同沉积压力对磁控溅射La-Ti/WS_2复合薄膜微观结构及摩擦学性能的影响。方法采用非平衡射频磁控溅射法制备WS_2薄膜和La-Ti/WS_2复合薄膜。利用扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对薄膜微观形貌、成分和晶向结构进行表征。用纳米压痕仪、摩擦磨损试验机和白光干涉三维形貌仪测试薄膜的力学性能和摩擦磨损性能。结果掺杂La和Ti可以改善WS_2复合薄膜的微观结构。在给定的沉积压力下,La-Ti/WS_2复合薄膜均呈岛状生长模式,组织均匀,且排列较为紧凑,结构致密性好。随着沉积压力的增大,WS_2(002)衍射峰向高θ值偏移,晶面间距减小,晶格发生收缩。复合薄膜的硬度和弹性模量随着沉积压力的增大,先增大后减小。沉积压力为1.2 Pa时,La-Ti/WS_2复合薄膜的摩擦系数低至0.07左右,磨损率低至2.45×10~(–8) mm~3/(N·m)。结论沉积压力对La-Ti/WS_2复合薄膜的性能有较大影响,合适的沉积压力可以提升La-Ti/WS_2复合薄膜的摩擦磨损性能。     

类富勒烯结构对含氢碳膜摩擦学性能的影响

目的研究类富勒烯结构含氢碳膜的摩擦学性能及润滑机理。方法采用闭合场非平衡反应磁控溅射技术,通过调节靶电流制备出类富勒烯结构含氢碳膜(FL-C:H)与非晶含氢碳膜(a-C:H)。通过扫描电子显微镜、原子力显微镜观察薄膜表面与断面的形貌,通过傅里叶红外光谱仪表征了碳膜的碳氢键结构,通过纳米压痕仪、划痕仪、摩擦磨损实验评价薄膜的力学及摩擦学性能,通过透射电子显微镜分析磨屑结构,并通过光学显微镜及三维轮廓仪对磨斑及磨痕形貌进行分析。结果类富勒烯结构对薄膜的机械力学性能影响不大,但是对其大载荷下的摩擦学性能有影响。与a-C:H碳膜相比,小载荷下(5 N),FL-C:H碳膜的摩擦系数较高,大载荷下(20 N),FL-C:H碳膜具有较低的摩擦系数(0.03)和磨损率(4.8×10-8 mm~3/(m·N)),并且其摩擦界面形成了类球状纳米结构颗粒。随着载荷的增加,FL-C:H碳膜的摩擦系数和磨损率先降低,后基本不变,在载荷大于15 N时,摩擦界面形成了类球状纳米结构颗粒。结论类球状纳米结构颗粒的形成能降低薄膜的摩擦系数和磨损率,而FL-C:H碳膜比a-C:H碳膜更易在摩擦界面形成类球状纳米结构颗粒。这种类球状纳米结构的形成还依赖于载荷的大小(大载荷时更易形成),因此类富勒烯碳膜在大载荷下更易保持低的摩擦系数及磨损率。     

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.     

CrN和CrAlN薄膜的微观结构及在不同介质中的摩擦学性能

采用中频非平衡反应磁控溅射技术在单晶硅P(111)和不锈钢(1Cr18Mn8Ni5N)基材上制备了CrN和CrAlN薄膜.利用X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、原子力显微镜(AFM)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)和纳米压痕仪对薄膜的相结构、化学组成、表面形貌、断面结构和力学性能进行了测试分析.利用球-盘式摩擦磨损试验机(CSM)考察了两种薄膜在不同介质(空气、自来水、oil-1 (TAO-40)及oil-2 (150BS))中和Al2O3球对磨的摩擦学性能.结果表明:CrN薄膜中Al元素的掺杂并未改变薄膜晶体结构,但却降低了薄膜的表面粗糙度、增强了薄膜的致密性、提高了薄膜的力学性能、改善了水润滑和油润滑条件下薄膜的摩擦学性能.由于CrN和CrAlN薄膜的摩擦磨损性能显著依赖于测试介质,因此重点讨论了它们在不同介质中的摩擦磨损机理.