Ti过渡层对NbSe2薄膜润滑-导电性能的影响

采用射频磁控溅射技术制备了系列金属钛(Ti)为过渡层的NbSe_2薄膜,分析了Ti过渡层的厚度对薄膜成分、结构和机械性能的影响,并研究了在大气环境下薄膜的润滑-导电性能.结果表明:改变Ti过渡层的厚度,可实现对薄膜中Se/Nb原子比和结晶度的调控.随着Ti过渡层厚度的增加,薄膜的致密度、膜-基结合强度及力学性能得到了明显改善.同时,NbSe_2薄膜维持原有(002)面择优取向,这利于薄膜的侧向滑移,从而提升了薄膜的减摩耐磨性能.然而,过厚的Ti过渡层会导致薄膜中Se/Nb原子比和结晶度下降,致使薄膜中游离金属元素含量升高. Ti过渡层的厚度超过30 nm时,虽然薄膜的结构仍然致密,且导电性能也有所增强,但其减摩耐磨性能却明显减弱.可见,适当厚度的Ti过渡层,才有助于提高NbSe_2薄膜的润滑-导电性能.     

中频磁控溅射制备不同S/W原子比WSx薄膜的结构和摩擦学性能研究

采用中频磁控溅射制备了WS_x薄膜,通过X射线衍射 (XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、原子力显微镜(AFM)和X射线光电子能谱 (XPS)对其结构进行了分析,采用纳米压入仪(Triboindenter)和真空球-盘摩擦试验机分别考察了薄膜的力学性能和摩擦磨损性能.结果表明:改变溅射功率密度和气压,将引起选择性溅射与薄膜氧化程度的变化,致使薄膜S/W原子比随之变化,薄膜的S/W原子比随着溅射功率密度的增加先减小后增大,而随着溅射气压的增大逐渐增大.薄膜S/W原子比较低时,薄膜W含量较高,薄膜结构较致密、硬度较高,但摩擦系数较大、耐磨性能较差;随着S/W原子比的增大,薄膜中WS₂含量显著增加,W含量明显下降,摩擦系数降低,耐磨性能明显改善.     

溅射沉积WSx/Ni/a-C/Ni多层膜的微结构及大气环境摩擦学性能

采用磁控溅射技术在硅基体上交替沉积WS₂、Ni及非晶碳(a-C)层制备出不同Ni层厚度的WS_x/Ni/a-C/Ni多层膜. 利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、拉曼光谱仪、X射线光电子能谱仪等研究了多层膜的成分及微观结构；通过纳米压痕仪、划痕仪和球盘式摩擦磨损试验机等评价了薄膜的力学及大气环境中的摩擦学性能. 结果表明:随着Ni层厚度的增加，WS_x/Ni/a-C/Ni多层膜的致密度下降，n_s/n_w值(S与W原子百分数之比)由0.84降至0.73，WS_x层以微晶或非晶的形式存在. 多层膜的硬度和磨损率均随Ni层厚度的增加先降低后升高，但摩擦系数由0.22升至0.38，结合力先增大后减小. Ni层厚度为6 nm的多层膜的硬度可达13.4 GPa，抗氧化性能和耐磨性最优，磨损率仅为9.47×10–14 m3/(Nm).      

射频非平衡磁控溅射WS_2薄膜的结构及其摩擦学性能研究

采用射频非平衡磁控溅射技术制备了具有不同(002)择优取向程度的WS2薄膜,研究了Ar流量对薄膜成分、微观结构、力学性能和摩擦学性能的影响.研究表明:随Ar流量的增大,WS2薄膜的S/W原子比和(002)衍射峰强度均表现出先降低后升高的变化趋势,而硬度和弹性模量表现出先升高后降低的变化趋势.在大气环境下,WS2薄膜的(002)择优取向程度、S/W原子比以及硬度对薄膜的摩擦学性能均具有显著影响,当S/W原子比较低、(002)择优取向度弱、硬度较高时,薄膜脆性较大,易于发生润滑失效;当S/W原子比、(002)择优取向度和硬度均较高时,薄膜结构致密,且摩擦过程中在对偶表面易于形成有效的转移膜,薄膜表现出较好的减摩、抗黏着特性和优异的抗磨性能.     

金属掺杂高硬度类石墨薄膜结构及其摩擦学性能研究

利用磁控溅射技术制备了不同金属(Ti、Cr、Zr)掺杂类石墨（graphite-like carbon, GLC）薄膜,考察了金属掺杂对薄膜结构及其在不同环境下摩擦学性能的影响。结果表明：Ti、Cr、Zr掺杂促进了GLC膜中sp2结构的增加,但过快的金属共沉积速率易使薄膜出现柱状生长取向而变得疏松粗糙;高硬GLC膜在大气及水环境中具有良好的环境自适应减摩抗磨作用特性,适当的金属掺杂可以提高GLC膜硬度并降低其干摩擦系数,但会使其水环境中摩擦系数升高;致密度和硬度对GLC膜耐磨性至关重要,致密而硬的膜层磨损轻微。     

载荷对MoS2/C复合薄膜摩擦学行为的影响

采用直流磁控溅射与高功率磁脉冲磁控溅射制备了以Ti为过渡层的MoS_2/C复合薄膜,并对其结构、组分、力学性能以及摩擦学行为进行了研究.摩擦测试结果表明:载荷增加时,摩擦系数与磨损率呈规律性降低趋势;通过赫兹接触模型对平均摩擦系数进行分析拟合,发现载荷的变化带来赫兹接触面积与接触压强的不同,导致了摩擦系数的变化;通过对摩擦产物的拉曼光谱分析发现不同载荷对非晶碳石墨化程度影响不明显;借助透射电子显微镜对转移膜的微结构进行分析,发现转移膜主要是排列有序且基面平行于滑移界面的MoS_2层,使其在较高载荷下仍具有低的剪切强度,因而获得低的摩擦系数.进一步采用同一磨球、磨痕体系从高载荷到低载荷变化的连续摩擦验证式试验,可以得出,MoS_2/C复合薄膜在所有高载荷条件下获得低摩擦系数,赫兹接触起着主导作用.     

偏压及测试环境对新型MoS2-Ti复合膜摩擦学性能的影响

采用新型高功率脉冲复合磁控溅射技术制备MoS2-Ti复合膜,并研究基体偏压和测试环境对复合膜摩擦学性能的影响.结果表明:制备的MoS2-Ti复合膜表面呈现颗粒状结构,Ti在薄膜表层与O反应形成氧化物有效抑制MoS2的氧化.随着基体负偏压从OV增大到-400 V,复合膜的S/Mo原子比逐渐减小.在-300 V偏压下,颗粒堆积最为紧密,薄膜硬度和弹性模量达到最大值,分别为9.7和137.1GPa,并具有最低的平均摩擦系数值(0.04)和磨损率[(10-7mm3/(N·m)].多种测试环境下的摩擦研究显示:在室温大气环境下复合膜的摩擦学性能与其结构的致密性紧密相关,而在N2以及不同湿度环境下薄膜表现出的优异摩擦学性能则归因于在摩擦过程中有效形成的转移膜贡献.     

四面体无定型无氢非晶碳膜的制备及其摩擦学性能研究

采用磁过滤阴极真空弧系统分别在硅片[Si(100)]、W18Cr4V高速钢和Cr18Ni9不锈钢基体上沉积了一系列sp3键含量较高的四面体无定型无氢非晶碳膜(ta-C),研究了所合成薄膜的结构、硬度、附着强度和摩擦磨损性能,考察了基体和薄膜厚度对薄膜摩擦系数的影响,简要分析了相应ta-C膜的失效机理.结果表明,在高速钢基体上沉积的ta-C膜的显微硬度为76 GPa,结合力Lc值达42 N,具有优良的摩擦学性能,其摩擦系数为0.12,且摩擦系数可以在16 000 r范围内保持稳定.     

Mo硫化物/Ti复合薄膜的制备及其环境摩擦磨损性能研究

采用高温硫化处理磁控溅射Mo/Ti金属前驱体薄膜制备Mo硫化物/Ti复合薄膜,采用X射线衍射仪、能谱仪和扫描电子显微镜对复合薄膜的组织结构、化学成分和表面形貌进行分析,采用涂层附着力自动划痕仪和可控气氛球-盘式摩擦磨损试验仪分别测试薄膜与基体的结合力以及摩擦系数,并用扫描电子显微镜观察薄膜的磨损表面形貌,分析其磨损机制.结果表明:硫化温度在450 ℃以上时能够生成较多Mo硫化物,最佳硫化工艺为450 ℃×15 h;提高硫化温度或延长硫化时间均使薄膜的结合力下降;磁控溅射Mo/Ti前驱体复合薄膜经450 ℃×15 h硫化处理后,薄膜中生成复杂的Mo硫化物,形成Mo硫化物/Ti复合薄膜;与纯Mo薄膜硫化后相比,Mo硫化物/Ti复合薄膜具有更高的界面结合力和更优异的摩擦磨损性能.     

氟化非晶碳基薄膜摩擦学行为对配副材料的依赖性

为了系统研究氟掺杂对非晶碳基薄膜摩擦学行为的影响,以C_2H_2和CF_4为气源,通过等离子体增强化学气相沉积方法制备不同F含量的非晶碳基薄膜.采用XPS、SEM、Raman光谱以及纳米压痕等技术测定薄膜的微观结构、化学组成和力学性能,利用球-盘式往复摩擦试验机评价薄膜与不同配副材料的摩擦磨损性能.结果显示:较低F含量并未显著影响薄膜与强碳黏着对偶Ti、WC和Si_3N_4的摩擦系数;少量F原子掺杂明显增加了薄膜与弱碳黏着对偶ZrO_2和Al_2O_3的摩擦系数;薄膜与GCr15对偶的摩擦系数随F含量增加而明显升高;高F含量导致薄膜与Cu对偶的摩擦系数产生明显波动,而导致薄膜与Al对偶的摩擦系数显著增加;值得注意的是,高F含量薄膜在不同体系中都表现出高摩擦低磨损的特点.高活性F原子与对偶材料的摩擦化学作用能够合理解释不同体系摩擦学行为.     

弹流润滑与薄膜润滑转化关系的研究

采用ＮＧＹ－２型纳米级膜厚测量仪,研究了润滑膜厚度与各工况因素之间的关系,分析了薄膜润滑的机理,探讨了膜厚、速度、润滑油粘度等各因素对弹流润滑与薄膜润滑之间转化的影响,建立了转化临界膜厚值与润滑剂表观粘度的关系。     

掺杂不同钛含量氮化锆薄膜的制备

采用非平衡磁控溅射技术制备含不同钛含量的氮化锆（Zr-Ti—N）复合薄膜材料，并研究薄膜基本特性及其摩擦磨损性能．结果表明：随着Ti含量增加，Zr—Ti—N薄膜硬度有所提高；在Ti含量为18．7at．％时，薄膜的硬度达到最大值2483HK0.025；当添加16．5at．％Ti时，硬度值略有降低，但临界载荷最高，耐磨性最佳．     

Swell-induced surface instability of hydrogel layers with material properties varying in thickness direction

Upon swelling in a solvent, a thin hydrogel layer on a rigid substrate may become unstable, developing various surface patterns. Recent experimental studies have explored the possibilities to generate controllable surface patterns by chemically modifying the molecular structures of the hydrogel near the surface. In this paper, we present a theoretical stability analysis for swelling of hydrogel layers with material properties varying in the thickness direction. As a specialization of the general procedure, hydrogel bilayers with different combinations of the material properties are examined in details. For a soft-on-hard bilayer, the onset of surface instability is determined by the short-wave limit, similar to a homogeneous layer. In contrast, for a hard-on-soft bilayer, a long-wave mode with a finite wavelength emerges as the critical mode at the onset of surface instability, similar to wrinkling of an elastic thin film on a compliant substrate, and the critical swelling ratio is much lower than that for a homogeneous hydrogel layer. A smooth transition of the critical mode is predicted as the volume fraction of the top layer changes, linking surface instability of a homogeneous layer to thin film wrinkling as two limiting cases. The results from the present study suggest that both the critical condition and the instability mode depend sensitively on the variation of the material properties in the thickness direction of the hydrogel layer.     

Si-B-N复合薄膜的结构及摩擦学性能研究

利用三极射频-直流负偏压-等离子体增强化学气相沉积技术在45#钢表面制备了附着力较强的Si-B-N复合薄膜;采用X射线衍射仪和X射线光电子能谱仪分析了所制备的Si-B-N复合薄膜的组成和结构,通过划痕试验和球-盘摩擦磨损试验考察了薄膜与基体的附着力及摩擦学性能.结果表明:通过合理地控制工艺参数,并对试样基体施加适当的直流负偏压,可以制得含六方氮化硼(h-BN)和立方氮化硼(c-BN)混合相的Si-B-N复合薄膜;而在Si-B-N复合薄膜表面引入沉积MoS2薄膜可以改善其摩擦学性能.     

钛硅多元掺杂类金刚石薄膜在不同气氛环境下的摩擦学性能研究

采用中频磁控溅射技术在单晶硅表面制备了钛硅多元掺杂的含氢类金刚石薄膜. 在球-盘摩擦试验机上考察了不同气氛环境对薄膜摩擦学性能的影响. 利用扫描电子显微电镜和拉曼光谱分析了磨损表面形貌和转移层结构, 探讨了薄膜的摩擦磨损机理. 结果表明:薄膜在真空和氮气环境下摩擦系数较小、磨损率低,表现为磨粒磨损;在氧气和高湿度大气环境下摩擦系数较大、磨损率高,表现为黏着磨损;在低湿度空气环境下薄膜摩擦系数最低,表现为磨粒磨损和黏着磨损混合磨损机理;转移层发生摩擦诱导石墨化和聚乙炔链C=C键双氢化两种摩擦化学过程.     

镁合金表面磁控溅射CNx/SiC/Ti多层膜的摩擦磨损性能

采用室温磁控溅射技术在镁合金(AZ91D)表面制备了CNx/SiC/Ti(氮化碳/碳化硅/钛)多层膜(SiC、Ti为中间层),研究了CNx薄膜的纳米压痕行为和摩擦磨损性能.结果表明:CNx薄膜具有低的纳米硬度(6.67GPa)、低的弹性模量(54.68GPa)和高的硬度与弹性模量比值(0.122);在以氮化硅球为对摩副的室温干摩擦条件下摩擦系数约为0.162,磨损率在10-6mm3/(m.N)级,薄膜经长时间(3.5h)磨损后未出现裂纹和剥落.分析表明,摩擦化学和硬度与弹性模量比值对摩擦系数和磨损率有重要影响.     

Instability of a compressed elastic film on a viscous layer

A flat, compressed elastic film on a viscous layer is unstable. The film can form wrinkles to reduce the elastic energy. A linear perturbation analysis is performed to determine the critical wave number and the growth rate of the unstable modes. While the viscous layer has no effect on the critical wave number, its viscosity and thickness set the time scale for the growth of the perturbations. The fastest growing wave number and the corresponding growth rate are obtained as functions of the compressive strain and the thickness ratio between the viscous layer and the elastic film. The present analysis is valid for all thickness range of the viscous layer. In the limits of infinitely thick and thin viscous layers, the results reduce to those obtained in the previous studies.     

Si过渡层类金刚石薄膜界面优化及其性能研究

本文中利用等离子体化学气相沉积法,制备了具有Si过渡层的DLC薄膜.利用俄歇深度分析的方法,研究了Si过渡层沉积条件如电压、气压和气源对Si过渡层的影响;利用薄膜应力分布测试仪和划痕仪,研究了不同沉积条件下制备的Si过渡层对类金刚石薄膜内应力和附着力特性的影响;利用摩擦磨损仪,分析比较了薄膜的摩擦性能.研究表明:DLC薄膜与基底之间形成(Fe+Si+O混合层)/Si/(Si+C混合层)过渡层.过渡层制备过程中,气压、电压和Ar/Si H4比例升高,会导致过渡层中Si层厚度的减小.这种过渡层在一定范围内提高了DLC薄膜与基体之间的结合力,缓解了因薄膜与基底间不匹配而产生的应力.在大气环境下,优化的DLC薄膜与GCr 15钢对偶的摩擦系数及磨损率可低至0.02和8.2×10-14m3/(N·m).     

Cr/Ag纳米多层薄膜膜-基结合强度及摩擦学性能研究

采用中频磁控溅射技术在AISI 440C钢表面制备了不同调制周期的Cr/Ag纳米多层薄膜.通过X射线衍射仪（XRD）及高分辨透射电子显微镜（HRTEM）分析表征了纳米多层薄膜的微观组织结构,通过划痕试验机与真空球-盘摩擦试验机分别测试了纳米多层薄膜膜-基结合强度及真空摩擦学性能,并与纯Ag薄膜及Cr/Ag双层薄膜进行了对比.结果表明：纳米多层结构可以显著提高Ag基固体润滑薄膜膜-基结合强度,Cr/Ag纳米多层薄膜在较高转速及载荷条件下表现出明显优于纯Ag及Cr/Ag双层薄膜的摩擦学性能.Cr薄膜层与钢基体表面良好结合以及纳米多层薄膜内良好的层间结合性能是纳米多层薄膜膜-基结合强度提高的主要原因.     

Wrinkling of a charged elastic film on a viscous layer

A thin metallic film deposited on a compliant polymeric substrate begins to wrinkle under compression induced in curing process and afterwards cooling of the system. The wrinkle mode depends upon the thin film elasticity, thickness, compressive strain, as well as mechanical properties of the compliant substrate. This paper presents a simple model to study the modulation of the wrinkle mode of thin metallic films bonded on viscous layers in external electric field. During the procedure, linear perturbation analysis was performed for determining the characteristic relation that governs the evolution of the plane-strain wrinkle of the thin films under varying conditions, i.e., the maximally unstable wrinkle mode as a function of the film surface charge, film elasticity and thickness, misfit strain, as well as thickness and viscosity of the viscous layer. It shows that, in proper electric field, thin film may wrinkle subjected to either compression or tension. Therefore, external electric field can be employed to modulate the wrinkle mode of thin films. The present results can be used as the theoretical basis for wrinkling analysis and mode modulation in surface metallic coatings, drying adhesives and paints, and microelectromechanical systems (MEMS), etc.