类金刚石薄膜的微动行为研究

微动磨损是1种极具隐蔽性和危害性的磨损形式，目前一般通过固体薄膜或流体润滑剂来进行防护.类金刚石碳基(diamond-like carbon, DLC)薄膜具有良好的摩擦学性能，因而广泛应用于各种润滑.探索DLC薄膜的微动行为对预防和减轻机械微动损耗至关重要.本文作者通过调控法向载荷和位移幅值，开展了DLC薄膜的微动摩擦试验，探究二者对DLC薄膜微动摩擦行为的影响，并结合各种表征手段研究薄膜损伤情况及磨损机理.结果表明：在微动试验中二者的大小会直接影响微动接触状态；微动磨损在部分滑移区和完全滑移区的磨损机理不同；施加的载荷和位移幅值调控着摩擦界面的氧化程度、碳质转移膜形成及DLC薄膜石墨化程度，从而决定了DLC薄膜的减摩耐磨机理.此工作为DLC薄膜在实际微动工况中的应用提供一定理论依据.     

钛合金表面类金刚石碳梯度薄膜的摩擦磨损性能研究

与Ti6Al4V合金／超高分子量聚乙烯摩擦副对比,考察了Ti6Al4V合金表面类金刚石碳梯度薄膜／超高分子量聚乙烯摩擦副在干摩擦以及Hank’s溶液和生理盐水润滑下的摩擦磨损性能,采用扫描电子显微镜观察试样磨损表面形貌,并进而分析磨损机理。结果表明,类金刚石碳梯度薄膜具有良好的减摩抗磨性能,其体积磨损率约为相同条件下Ti6Al4V合金体积磨损率的50％,相应的超高分子量聚乙烯偶件的磨损率亦较低,类金刚石碳梯度薄膜的磨损呈现轻微磨粒磨损特征,而超高分子量聚乙烯可抑制类金刚石碳梯度薄膜的磨粒磨损。     

薄膜/涂层的摩擦学设计及其研究进展

介绍了近年来有机分子自组装薄膜(SAMs)、物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)类金刚石薄膜(DLC)、液相法制备类金刚石薄膜、功能梯度薄膜以及绿色环保电化学沉积镀层的制备及其摩擦学研究进展,讨论了薄膜/涂层的制备方法和影响薄膜/涂层结构及其摩擦学性能的各种因素,评述了几种具代表性的薄膜/涂层摩擦磨损机理,分析并指出了SAMs、DLC、梯度薄膜和电镀镀层的摩擦学研究方向.     

纳尺度下类金刚石(DLC)薄膜摩擦性能研究

类金刚石薄膜(DLC)作为保护涂层在磁存储系统和微/纳米机电系统(M/NEMS)等方面的应用十分广泛,但其在实际应用中存在着摩擦副的设计问题,本文中采用物理气相沉积(PVD)技术以金属Cr作为过渡层在硅基底上制备类金刚石薄膜,利用原子力显微镜,对类金刚石薄膜的表面特性进行表征,并研究针尖的力学性能对类金刚石薄膜摩擦学性能的影响.结果表明纳尺度下硅针尖和氮化硅针尖测得的摩擦力与法向载荷之间均呈线性关系,这说明针尖材料对类金刚石薄膜的摩擦性能没有影响.Si针尖的SEM图像表明:高载荷下,Si/DLC摩擦副的摩擦系数增加是由于Si针尖的磨损;而类金刚石薄膜的AFM图像表明:Si3N4/DLC摩擦副的摩擦系数增加是由于类金刚石薄膜表面的粗糙峰在高载条件下发生了塑性变形,DMT理论计算验证了我们的实验结果.因此,本研究对于类金刚石薄膜在实际应用中摩擦副的设计具有指导意义.     

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.      

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．     

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.     

载荷及位移幅值对DLC薄膜微动磨损行为的影响

为了提高TC4钛合金表面的抗微动磨损性能,在本文中采用非平衡磁控溅技术(Unbalanced Magnetron Sputtering)在TC4钛合金表面沉积了类金刚石(DLC)薄膜. 采用球/平面接触形式研究了DLC薄膜的微动摩擦磨损行为. 在不同法向载荷和位移幅值下,结合微动运行工况图研究了DLC薄膜滑移状态和损伤机理. 利用原子力显微镜、纳米压痕仪、激光拉曼光谱仪、激光共聚焦显微镜、场发射扫描电子显微镜和SRV-V微动摩擦磨损试验机等设备对DLC薄膜进行性能的表征和微动摩擦磨损性能测试. 通过微动图,摩擦耗散能,磨痕形貌、化学成分分析揭示其损伤机理. 结果表明:载荷和位移幅值对DLC薄膜微动摩擦磨损行为和损伤机理有显著影响. 当位移幅值为25 μm 时,微动运行于混合滑移(mixed slip regime,MSR)情形下,当位移幅值为100 μm时,微动运行于完全滑移(gross slip regime,GSR)情形下. 小位移幅值时,DLC薄膜磨损机理是磨粒磨损为主;大位移幅值时,DLC薄膜磨损机理是黏着磨损为主. 干摩擦条件下,DLC薄膜有良好的抗微动磨损性能,关键就在于其优异力学性能和自润滑特性.      

NiTi形状记忆合金表面TiN薄膜的摩擦磨损性能研究

采用电弧离子镀技术在NiTi形状记忆合金表面制备了TiN薄膜,利用X射线衍射、扫描电子显微镜、原子力显微镜、轮廓仪、纳米压痕仪和摩擦试验机表征了TiN薄膜的相成分、表面特性、厚度、硬度和膜基结合力.通过摩擦试验对比了未镀膜和镀膜NiTi合金的摩擦磨损特性.结果表明:制得的TiN薄膜均匀、致密,提高了NiTi合金的硬度;在干摩擦、0.9%NaCl溶液和Hank′s溶液润滑介质条件下,TiN薄膜均表现出良好的减摩抗磨性能,提高了NiTi合金的抗摩擦磨损特性.     

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.      

低温沉积Ag-Cu薄膜的耐原子氧和摩擦学性能

采用多弧离子镀在低温(173 K)沉积了Ag-Cu薄膜,通过地面原子氧模拟试验机构考察了薄膜的耐原子氧性能,通过X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)和球-盘摩擦试验机对薄膜结构、耐原子氧性能和摩擦学性能进行了表征,并与室温(300 K)及低温(173 K)沉积Ag薄膜进行了比较研究.结果表明:低温沉积Ag-Cu薄膜由面心立方结构的AgCu合金相和少量Ag或Cu组成,Cu元素合金和低温沉积可细化Ag薄膜的晶畴尺寸、提高其致密性,细密的薄膜结构有利于抑制原子氧对薄膜的攻击,因此低温沉积的Ag-Cu薄膜表现出较好的耐原子氧性能;磨损试验结果表明低温沉积的Ag-Cu薄膜表现出较好的耐磨性,这主要归因于其细密的薄膜结构和较高的膜-基结合强度,此外由于其耐原子氧性能的改善,低温沉积Ag-Cu薄膜在原子氧辐照前后磨损率的增加明显低于低温和室温沉积Ag薄膜.     

类金刚石碳膜的摩擦学特性及其研究进展

从类金刚石碳膜作为耐磨涂层的角度出发,综述了近年来国际上关于类金刚石碳膜摩擦学特性的大量研究,着重讨论了影响类金刚石碳膜摩擦学特性的主要工艺参数和因素,阐明了类金刚石碳膜与金刚石膜在性能上的差异,指出了类金刚石碳膜的发展现状和趋势。     

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.     

等离子体电解沉积的研究现状

等离子体电解沉积(PED)是一门新兴的材料表面处理技术.本文详细介绍了等离子体电解沉积的机 理及其在材料表面改性、生物材料、电子材料、高性能材料等方面的应用.其基本原理是: 当两极之间的电势差达到一定程度时, 电极与电解液界面处的电势突变产生的高电场强度, 可以击穿界面处的钝化膜、气体等电介质, 使得电极表面局部瞬间高温并发生复杂的物理、 化学反应, 从而在电极表面制备特定性能的陶瓷层或渗透层.在结构材料的应用方面, 可以 利用PED技术在铝合金、钛合金、镁合金等轻金属表面制备陶瓷层、可以对钢铁基体进行快 速碳氮共渗或涂覆金属镀层, 以提高这些材料的抗磨擦、耐腐蚀等性能.选择含有钙、磷元 素的电解液或是在电解液中添加羟基磷灰石粉末进行PED处理, 可以在钛合金表面制备具有 生物活性的陶瓷膜, 从而使植入体与自然骨形成分子水平的化学键合.选择适当的电解液, 可以制备BaTiO等离子体电解沉积;陶瓷层;表面改性;生物 材料;电子薄膜;DLC薄膜;氮化碳Plasma electrolytic deposition,Ceramic layer,Surface modification,Biomaterials,Electrolytic films,DLC films,Nitrogen-containing carbon films国家自然科学基金(50071066)2004年5月25日等离子体电解沉积(PED)是一门新兴的材料表面处理技术.本文详细介绍了等离子体电解沉积的机 理及其在材料表面改性、生物材料、电子材料、高性能材料等方面的应用.其基本原理是: 当两极之间的电势差达到一定程度时, 电极与电解液界面处的电势突变产生的高电场强度, 可以击穿界面处的钝化膜、气体等电介质, 使得电极表面局部瞬间高温并发生复杂的物理、 化学反应, 从而在电极表面制备特定性能的陶瓷层或渗透层.在结构材料的应用方面, 可以 利用PED技术在铝合金、钛合金、镁合金等轻金属表面制备陶瓷层、可以对钢铁基体进行快 速碳氮共渗或涂覆金属镀层, 以提高这些材料的抗磨擦、耐腐蚀等性能.选择含有钙、磷元 素的电解液或是在电解液中添加羟基磷灰石粉末进行PED处理, 可以在钛合金表面制备具有 生物活性的陶瓷膜, 从而使植入体与自然骨形成分子水平的化学键合.选择适当的电解液, 可以制备BaTiO等离子体电解沉积;陶瓷层;表面改性;生物 材料;电子薄膜;DLC薄膜;氮化碳Plasma electrolytic deposition,Ceramic layer,Surface modification,Biomaterials,Electrolytic films,DLC films,Nitrogen-containing carbon films国家自然科学基金(50071066)2004年5月25日等离子体电解沉积(PED)是一门新兴的材料表面处理技术.本文详细介绍了等离子体电解沉积的机 理及其在材料表面改性、生物材料、电子材料、高性能材料等方面的应用.其基本原理是: 当两极之间的电势差达到一定程度时, 电极与电解液界面处的电势突变产生的高电场强度, 可以击穿界面处的钝化膜、气体等电介质, 使得电极表面局部瞬间高温并发生复杂的物理、 化学反应, 从而在电极表面制备特定性能的陶瓷层或渗透层.在结构材料的应用方面, 可以 利用PED技术在铝合金、钛合金、镁合金等轻金属表面制备陶瓷层、可以对钢铁基体进行快 速碳氮共渗或涂覆金属镀层, 以提高这些材料的抗磨擦、耐腐蚀等性能.选择含有钙、磷元 素的电解液或是在电解液中添加羟基磷灰石粉末进行PED处理, 可以在钛合金表面制备具有 生物活性的陶瓷膜, 从而使植入体与自然骨形成分子水平的化学键合.选择适当的电解液, 可以制备BaTiO等离子体电解沉积;陶瓷层;表面改性;生物 材料;电子薄膜;DLC薄膜;氮化碳Plasma electrolytic deposition,Ceramic layer,Surface modification,Biomaterials,Electrolytic films,DLC films,Nitrogen-containing carbon films国家自然科学基金(50071066)2004年5月25日等离子体电解沉积(PED)是一门新兴的材料表面处理技术．本文详细介绍了等离子体电解沉积的机理及其在材料表面改性、生物材料、电子材料、高性能材料等方面的应用．其基本原理是：当两极之间的电势差达到一定程度时，电极与电解液界面处的电势突变产生的高电场强度，可以击穿界面处的钝化膜、气体等电介质，使得电极表面局部瞬间高温并发生复杂的物理、化学反应，从而在电极表面制备特定性能的陶瓷层或渗透层．在结构材料的应用方面，可以利用PED技术在铝合金、钛合金、镁合金等轻金属表面制备陶瓷层、可以对钢铁基体进行快速碳氮共渗或涂覆金属镀层，以提高这些材料的抗磨擦、耐腐蚀等性能．选择含有钙、磷元素的电解液或是在电解液中添加羟基磷灰石粉末进行PED处理，可以在钛合金表面制备具有生物活性的陶瓷膜，从而使植入体与自然骨形成分子水平的化学键合．选择适当的电解液，可以制备BaTiO3、SrTiO3、NaTaO3、SrZrO3等钙钛矿结构电子薄膜．利用有机溶液高电压电解，可以制备类金刚石(DLC)薄膜、氮化碳等高性能的材料．文中对PED涂层的残余应力、涂层与基体的结合力、界面断裂韧性、微观缺陷对宏观性能的影响等力学问题进行了讨论．等离子体电解沉积在轻金属特别是铝合金表面制备陶瓷层已经取得了成功，在钢铁材料的表面处理、DLC薄膜和氮化碳的制备等方面有一些初步进展，在生物活性陶瓷薄膜和电子薄膜方面也有应用前景．     

直流射频等离子体增强化学气相沉积类金刚石碳薄膜的结构及摩擦学性能研究

利用直流射频等离子增强化学气相沉积技术在单晶硅表面制备了类金刚石碳薄膜．采用Raman光谱、红外光谱、x射线光电子能谱和原子力显微镜等研究了薄膜的微观结构和表面形貌,在UMT-2MT型摩擦磨损试验机上考察了薄膜在不同载荷与滑动速度下的摩擦学性能。结果表明：所制备的类金刚石碳薄膜具有典型的类金刚石结构特征,薄膜均匀、致密,表面粗糙度小,硬度较高;薄膜与Si3N4陶瓷球对摩时显示出良好的抗磨减摩性能;随着试验载荷与滑动速度的提高,薄膜的摩擦系数降低,耐磨寿命降低;薄膜的减摩抗磨性能同其在Si3N4陶瓷球偶件磨损表面形成的转移膜相关。