掺硅类金刚石薄膜的HiPIMS-MFMS共沉积制备及其高温摩擦学行为研究

元素掺杂是提高类金刚石(DLC)薄膜高温耐摩擦性能的重要途径.本文中采用高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)和中频磁控溅射(MFMS)复合技术在304不锈钢表面沉积具有不同Si含量的掺硅类金刚石(Si-DLC)薄膜,利用原子力显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、纳米压痕和UMT-TriboLab摩擦试验机等系统分析了Si含量对Si-DLC薄膜的结构、力学性能及不同温度下的摩擦学性能的影响,重点探讨了Si-DLC薄膜在高温下摩擦磨损机制.结果表明：Si-DLC薄膜中Si以四面体碳化硅的形式随机分布于无定型DLC基体中,增强薄膜的韧性.同时,Si掺杂使DLC薄膜向金刚石结构发生转变并显著提高了薄膜的硬度.摩擦结果表明,当Si原子分数为15.38%时,Si-DLC薄膜在常温下的摩擦系数和磨损率最低,同时该薄膜在300℃下能维持在较低的摩擦系数(约0.1),主要是由于Si-DLC薄膜中的四面体碳化硅结构能够提升sp³键的稳定性.此外,Si-DLC薄膜中的Si在高温摩擦时会在对偶球表面形成1层SiO₂保护层,减...     

钛合金表面液相电解类金刚石碳膜的摩擦磨损性能

采用液相电解法在钛合金表面制备了类金刚石碳(DLC)膜,利用拉曼光谱仪和傅立叶红外光谱仪表征了DLC薄膜的结构,考察了其机械及摩擦磨损性能,并通过划痕试验测定了类金刚石碳膜与钛合金基体之间的临界剥离载荷.结果表明:所制备的类金刚石碳膜的摩擦系数较低,其摩擦系数随着载荷的增加而略有降低;抗磨性能则随着载荷的增加而变差;类金刚石碳膜与钛合金基体之间的临界剥离载荷为0.882N.     

界面调控对类金刚石碳基薄膜/铜摩擦副摩擦学行为的影响

无氢DLC/金属铜摩擦副体系摩擦系数高且不易调控，调整DLC/金属铜摩擦界面从而降低其摩擦系数是亟待解决的问题. 本研究中通过制备含氢与无氢类金刚石碳基薄膜，采用试验分析与模拟计算结合的方法研究了不同氢含量碳基薄膜与铜配副的摩擦学特性并讨论了氢原子在摩擦界面对改善摩擦学性能所起的作用. 结果表明:摩擦界面的结构特性对于类金刚石碳基薄膜/铜配副体系摩擦学性能有非常重要的影响，氢原子可以通过减小摩擦副之间的黏着从而起到调节摩擦界面的作用. 通过向DLC中掺杂氢等钝化元素可有效调控界面处的相互作用从而调控体系摩擦学性能. 本研究方法为降低DLC/铜摩擦副体系摩擦系数提供参考.      

纳米弹性复合DLC薄膜的制备及其摩擦性能研究

利用磁过滤阴极真空弧沉积系统在硅片及以硅片为基底的2种弹性体材料表面沉积厚度为2.7 nm的DLC膜,采用原子力显微镜和拉曼光谱仪对薄膜的形貌及成分进行分析,用纳米力学测试系统测量薄膜的弹性模量和硬度,用UMT-2型多功能微摩擦磨损试验机考察其摩擦性能.结果表明,以γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(187)为偶联剂的薄膜试样表面比以γ-氨丙基三乙氧基硅烷(APS)为偶联剂的薄膜试样表面更致密且粗糙度更低,薄膜的最上层为DLC膜.在硅表面沉积DLC薄膜可以显著降低其表面的摩擦系数(0.117～0.137),在低载荷条件下,含偶联剂及弹性体的DLC薄膜的摩擦系数低于硅表面沉积DLC的薄膜,且以187为偶联剂的薄膜试样的摩擦性能更佳;在高载荷条件下,硅表面沉积DLC的薄膜具有更优异的摩擦性能.     

黏度、极性及配副因素在DLC薄膜固液复合设计中的影响

本文中系统研究了类金刚石(Diamond-like carbon,简称DLC)固体润滑薄膜与一系列不同黏度的烷烃、醇类液体润滑介质的复合润滑性能,并深入探讨了介质黏度、极性及摩擦配副在固液复合设计中的影响规律.我们发现所用DLC薄膜在所考察润滑介质中均表现出较好的稳定性及亲和性,而摩擦行为则呈现较大的差异:在非极性烷烃化合物润滑环境下,DLC/DLC和钢/钢摩擦副的摩擦系数随介质黏度的增加改变不大,钢/DLC摩擦副的摩擦系数则随着介质黏度的升高而逐渐降低;在极性的醇类介质中,钢/钢摩擦副的摩擦系数随着介质黏度的增大先下降后急剧上升,而钢/DLC和DLC/DLC摩擦副的摩擦系数随介质黏度的升高而降低.总之,介质黏度、极性和摩擦配副对体系润滑行为有很大影响,在进行固液复合润滑体系设计时,需综合考虑三者的相互作用关系.     

钛合金表面掺金属类金刚石薄膜的摩擦磨损性能研究

采用阳极层流型矩形气体离子源结合非平衡磁控溅射法在钛合金基体表面制备掺金属类金刚石(Me-DLC)薄膜,通过X射线光电子能谱仪、俄歇微探针、表面形貌仪及扫描电子显微镜等对薄膜结构进行表征,用SRV型摩擦磨损试验机评价其摩擦磨损性能.结果表明,类金刚石薄膜可以提高钛合金基体的承载能力和硬度,对基体材料起到有效的耐磨减摩作用,掺钨类金刚石薄膜的硬度及膜/基结合强度较高,具有良好的耐磨减摩性能,且在膜层承载能力范围内,载荷越高,DLC梯度薄膜的摩擦系数越小.     

单晶硅表面等离子体基离子注入碳纳米薄膜的摩擦学特性

用等离子体基离子注入(PBII)技术在单晶硅表面制备了碳纳米薄膜,考察了薄膜在不同载荷及速度下同Si3N4球对摩时的摩擦学性能,并采用扫描电子显微镜观察分析了磨痕表面形貌.结果表明,所制备的碳纳米薄膜光滑致密,为高硬度富弹性的类金刚石碳(DLC)膜,薄膜通过C-Si键合作用而同硅片表面形成牢固结合,且成分及结构呈现某种梯度变化特征,单晶硅经改性后摩擦学性能大幅度改善:在低载荷(0.5 N)下其耐磨寿命达3 h以上,摩擦系数处于0.10～0.30之间,磨痕不明显;在高载荷(4 N)下其耐磨寿命及摩擦系数(0.03～0.20之间)均明显降低.这是由于较高载荷或滑动速度导致DLC薄膜石墨化加剧所致.     

类金刚石薄膜表面有机单分子薄膜的制备及其摩擦性能研究

采用加热法在类金刚石薄膜表面制备1-十八烯自组装有机单分子薄膜,采用接触角测量仪及傅立叶变换红外光谱仪表征薄膜的结构,在原子力显微镜及UMT-2MT型摩擦磨损试验机上从微观和宏观2个角度考察了薄膜的摩擦性能.结果表明,经过十八烯修饰后,DLC薄膜表面疏水性能提高,摩擦系数明显降低,有利于DLC薄膜在微机电系统中的应用.     

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).     

电化学沉积DLC薄膜的摩擦学性能研究

采用直流电源,以有机溶剂作为碳源,通过电化学沉积方法在单晶硅表面制备了类金刚石碳薄膜．用原子力显微镜、拉曼光谱仪和傅立叶红外光谱仪等表征了薄膜的结构,用DF-PM型动-静摩擦系数精密测定仪考察了薄膜的摩擦学性能．结果表明：电化学沉积含氢类金刚石碳薄膜的硬度较高(约14GPa),薄膜均匀、致密,表面粗糙度小;在室温干摩擦条件下,薄膜同GCrl5钢以及α-Al2O和Si3N4陶瓷对摩时的摩擦系数随载荷增加而略微减小;陶瓷材料／类金刚石碳膜的摩擦系数较低,钢／类金刚石碳膜的摩擦系数较高;类金刚石碳薄膜同Si3N4陶瓷对摩时呈现断裂剥落特征;同GCrl5钢对摩时发生转移并形成转移膜,耐磨寿命缩短．     

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.     

类金刚石多层膜在不同环境下的摩擦磨损行为研究

采用等离子体辅助化学气相沉积法在单晶硅表面制备由硬／软亚层交替构成的类金刚石多层膜，通过调整工艺参数获得亚层厚度在25～1000nm之间的DLC多层膜，采用球-盘摩擦磨损试验机探讨了DLC多层膜在真空、氧气及干燥空气下的摩擦磨损行为．结果表明，在不同摩擦环境下，多层结构对DLC多层膜的摩擦系数影响较小，但对其磨损率影响较大．多层结构可以有效抑制DLC膜的磨损，特别是在氧气和干燥空气环境中，DLC多层膜的磨损率明显低于DLC单层膜．特定亚层厚度的DLC多层膜在不同摩擦环境中均具有稳定的耐磨性能，磨损率约在10^-8mm^3／Nm数量级．     

高浓度过氧化氢中AlCoCrFeNiCu 的摩擦学性能研究

为研究AlCoCrFeNiCu高熵合金在强氧化的过氧化氢介质中的摩擦学性能,采用销盘磨损试验机测试了AlCoCrFeNiCu合金与3种工程陶瓷组成摩擦副在90％过氧化氢介质中的摩擦学性能,采用SEM、EDS、白光共焦显微镜等分析了磨损表面,并且探讨了高熵合金与3种陶瓷配副在高浓度过氧化氢中的磨损机理.结果表明:在高浓度过氧化氢中,AlCoCrFeNiCu合金与碳化硅和氮化硅陶瓷配副具有较低的摩擦系数和较小的磨损;AlCoCrFeNiCu/ZrO₂摩擦副的主要磨损机制为黏着磨损和磨粒磨损,同时伴随有氧化磨损;AlCoCrFeNiCu/SiC摩擦副和AlCoCrFeNiCu/Si₃N₄摩擦副的主要磨损机制为抛光型氧化磨损并伴随有轻微的三体磨粒磨损;AlCoCrFeNiCu/Si₃N₄摩擦副还伴随有边界润滑效应.     

用等离子体增强化学气相沉积技术制备类金刚石碳薄膜的摩擦磨损性能研究

利用射频-直流等离子体增强化学气相沉积技术在单晶硅衬底上沉积类金刚石碳薄膜,采用激光拉曼光谱仪和原子力显微镜对薄膜的结构和表面形貌进行表征,采用纳米压痕仪测定薄膜的硬度,并用UMT型微摩擦磨损试验机考察了薄膜在不同试验条件下的摩擦磨损性能.结果表明:所制备的类金刚石碳薄膜表面光滑致密且硬度较高;在干摩擦条件下与GCr15钢球或Al2O3球配副时显示出良好的减摩抗磨性能,摩擦系数较低,耐磨寿命较长,而在水润滑条件下同Al2O3球配副时发生灾难性磨损.     

Si-DLC薄膜在硝酸介质中的腐蚀磨损行为与机理

本文中利用电化学工作站与摩擦试验机研究了DLC薄膜与Si-DLC薄膜在去离子水和硝酸环境下的腐蚀摩擦行为,并通过动电位极化和电化学交流阻抗测试研究了两种薄膜的电化学腐蚀性能,结合磨损试验结果综合分析了两种薄膜在硝酸环境下的腐蚀磨损机理.结果表明:Si掺杂增加了薄膜在硝酸环境下的腐蚀电流密度;减小了DLC薄膜在去离子水和硝酸环境下的摩擦系数;磨损结果分析发现机械磨损是造成薄膜损伤的最主要因素,腐蚀-磨损的相互作用约占薄膜总磨损量的4%,其影响作用不可忽视.     

钛合金表面DLC薄膜的制备及其与不同材料配副的摩擦学性能研究

利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在钛合金TC4表面制备了梯度结构DLC薄膜,并研究了DLC薄膜微观形貌结构、力学性能以及不同对偶球材料(包括4种陶瓷与4种金属材料)对其摩擦学性能的影响. 结果表明:所制备的梯度结构DLC薄膜表面相对光滑平坦且与基底结合紧密,具有良好的力学性能;对于陶瓷球/DLC配副,在摩擦过程中由于对偶球硬度较大且耐磨,从而在陶瓷球表面易于形成稳定的碳质转移膜,SiC/DLC、Si₃N₄/DLC和ZrO₂/DLC表现为轻微的磨粒磨损和黏着磨损,而Al₂O₃球表面的碳元素含量较高使得DLC薄膜虽然发生破损和剥落但其摩擦系数仍保持在较低水平;金属球/DLC与陶瓷/DLC相比较,由于金属对偶球硬度较低,在摩擦过程中碳质转移膜无法稳定地覆盖在金属球,引起较高的摩擦系数,Al/DLC主要表现为严重的磨粒磨损,而Brass/DLC、304SS/DLC和GCr15/DLC主要为轻微的磨粒磨损或黏着磨损;SiC/DLC、ZrO₂/DLC、304SS/DLC和GCr15/DLC的DLC薄膜均具有较低的摩擦系数和磨损率且对偶球的磨斑较小,故其为较合理的摩擦副. 赫兹接触分析表明,陶瓷/DLC中除了ZrO₂/DLC,平均摩擦系数和计算接触半径的变化趋势是一致的,而在金属/DLC中并未发现这一规律.      

相对湿度对类金刚石薄膜摩擦磨损性能的影响

利用等离子体增强化学气相沉积技术在单晶硅表面制备了含氢类金刚石薄膜,在球-盘摩擦磨损试验机上考察了相对湿度对薄膜摩擦磨损性能的影响,利用扫描电子显微镜和X射线光电子能谱仪观察和分析其磨损表面形貌和化学状态的变化情况.结果表明,随着相对湿度增加,DLC薄膜的摩擦系数和磨损率增加.这主要是由于薄膜表面氧化作用所致.     

类金刚石涂层在不同载荷和湿度下的摩擦特性

利用磁过滤阴极弧等离子体沉积装置在单晶硅基底上制备了类金刚石涂层，采用原子力显微镜和纳米压痕仪测定了其表面形貌及硬度，在DF－PM型动－静摩擦系数精密测定仪上考察了涂层在不同载荷及湿度下同GCr15钢对摩时的摩擦性能。结果表明，在不同环境湿度条件下DLC涂层的摩擦性能明显不同，这主要归因于转移膜形成机理的不同；在3N载荷下，DLC涂层同GCr15钢对摩时的摩擦系数相对较小，且较为稳定；当环境湿度增大至100％时，摩擦系数显著增大，并发生类似于含氢类金刚石涂层的灾难性磨损。     

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.