Field emission properties of a-C and a-C:H films deposited on silicon surfaces modified with nickel nanoparticles

The a-C and a-C:H films are deposited on silicon surfaces modified with and without nickel nanoparticles by using mid-frequency magnetron sputtering. The microstructures and morphologies of the films are analyzed by Raman spectroscopy and atomic force microscopy. Field emission behaviors of the deposited films with and without nickel nanoparticles modification are comparatively investigated. It is found that the hydrogen-free carbon film exhibits a high field emission current density and low turn-on electric field compared with the hydrogenated carbon film. Nickel modifying could increase the current density, whereas it has no significant effect on the turn-on electric field. The mechanism of field electron emission of a sample is discussed from the surface morphologies of the films and nickel nanoparticle roles in the interface between film and substrate.     

沉积温度对钛硅共掺杂类金刚石薄膜生长、结构和力学性能的影响

采用中频磁控溅射Ti80Si20复合靶在单晶硅表面制备了共掺杂的类金刚石薄膜.研究了沉积温度对薄膜生长速率、化学成分、结构、表面性质和力学性能的影响.结果表明:随沉积温度升高,薄膜生长速率降低,薄膜Ti和Si原子浓度增加,C原子浓度降低;在高温下沉积的薄膜具有低sp3C含量、低表面接触角、低内应力和高的硬度与弹性模量.基于亚表层注入生长模型分析了沉积温度对薄膜生长和键合结构的影响,从薄膜生长机制和微观结构解释了表面性质和力学性能的变化.     

表面织构对管道内壁碳基涂层润湿性与摩擦学性能影响

采用等离子体增强化学气相沉积技术在管道内表面沉积超厚类金刚石涂层(厚度不小于15 μm),通过激光织构和喷砂对管道内表面进行织构化处理,研究其对超厚类金刚石涂层摩擦学性能和储油的影响. 结果表明:在PAO 10润滑下,调节织构化参数(设置不同的激光织构图案和喷砂压力),可以使管道内壁类金刚石涂层与PAO 10之间的润湿性和摩擦学性能达到最优. 载油高速旋转试验结果表明:经过2.06×105 Pa(30 psi)的喷砂压力和0.01 mm×0.01 mm激光点阵处理的织构涂层具有最佳的储油性能,可以减少润滑油在实际工况中的爬升和外溢. 而图案为0.01 mm×0.01 mm点阵的激光织构涂层具有最低的摩擦系数,避免了管状构件往复运动中可能出现的涂层损伤. 因此,通过优化织构的密度和直径,可以提升管道内壁上超厚类金刚石涂层的储油和摩擦学性能.      

中频磁控溅射制备a-C：H（Al,W）薄膜及其性能研究

采用中频磁控溅射技术,以W、Al复合靶（面积比为1：1）为靶材,在氩气和甲烷混合气体中于n（100）型单晶硅表面沉积了一系列Al、W共掺杂含氢非晶碳[a-C：H（Al,W）]薄膜.分析了不同甲烷流量对薄膜成分、结构和表面形貌的影响,并表征了薄膜的力学性能和摩擦磨损行为.结果表明：随着甲烷流量的增加,薄膜中C含量呈上升趋势,而W和Al含量均呈现递减趋势,过高流量的CH₄会导致金属靶材中毒.薄膜中的sp²C和sp³C含量受W、Al以及H注入效应的共同影响.所制备的薄膜表面均较为平滑,表面粗糙度（RMS）在0.39 ~0.48 nm范围内.薄膜的纳米硬度（H）在9.98~11.37 GPa之间,弹性模量（E）介于71~93.36 GPa之间,弹性恢复系数均在70 %以上.当薄膜中W和Al的原子百分含量分别为3.74 %和2.37 %时,H/E值和H³/E²值分别为0.141和0.198,且此时薄膜在大气环境下表现出较好的减摩抗磨性能.薄膜具有适度的sp³C/sp²C比值、优异的弹性形变性能、摩擦过程中对偶球表面形成连续而致密的转移层等因素是薄膜具有良好摩擦学性能的重要原因.     

固体-油脂复合润滑I：二硫化钼膜在干摩擦及空间用油脂润滑下的摩擦学性能

本文采用溅射技术制备了MoS2薄膜,用UMT-2MT摩擦试验机考察了MoS2膜/钢球摩擦副分别在干摩擦、氟丙基氯苯基硅油（115#油）和KK-5脂（由115#润滑油经聚四氟乙烯粉稠化制成）润滑条件下的摩擦学性能,并分析了其润滑和失效机制。结果表明：脂润滑状态下,MoS2+ KK-5复合膜处于不连续的边界润滑,其摩擦学性能得到改善但不明显;115#油润滑条件下,由于连续、有效的边界润滑,使得MoS2+115#固体-油复合体系的摩擦系数低而平稳,其耐磨损寿命与单独MoS2薄膜相比提高了至少8倍;相对于上述2种情况,干摩擦条件下的MoS2膜磨损明显。     

固体-油脂复合润滑Ⅱ:类金刚石(DLC)薄膜在几种空间用油脂润滑下的摩擦学性能

本文主要探讨了类金刚石(Diamond-like carbon,简称DLC)薄膜在几种空间常用的液体润滑剂如甲基氯苯基硅油(114#润滑油)、氟丙基氯苯基硅油(115#润滑油)、聚α-烯烃[PAO(201)润滑油]、全氟聚醚(Z-25润滑油)以及对应润滑脂KK-4、KK-5、KK-P(201)和601EF润滑下的摩擦学性能.结果表明:DLC薄膜与试验选用的油脂复合后表现出良好的协同效应.与DLC薄膜相比,其减摩性能得到不同程度的改善,摩擦系数降低2~6倍;其耐磨寿命提高了10多倍,起到了明显的延寿作用.     

C2H2/Ar流量比对a-C:H涂层结构及摩擦学性能的影响

a-C:H涂层因具有高硬度、低摩擦系数及良好的化学惰性等性能,使其作为表面防护材料具有广泛的应用前景,而涂层中的H含量和sp2C/sp3C比值是影响其力学及摩擦学性能的重要因素. 本研究中采用非平衡磁控溅射技术在9Cr18钢表面制备了a-C:H涂层,对比研究了前驱体组成对不同结构含H碳膜的氢含量、微观结构、力学性能和摩擦学性能的影响. 结果表明:增大C₂H₂/Ar流量比,涂层的生长率及H含量逐渐增大,但致密性降低. 由于涂层中C-H键及致密性的变化,a-C:H涂层的硬度和弹性模量随C₂H₂/Ar流量比的增大而逐渐减小,但结合强度却先增大后降低. 当C₂H₂/Ar流量比低于4:3时,涂层表现出良好的减摩耐磨性能,当C₂H₂/Ar流量比高于4:3时,涂层的摩擦系数和磨损率出现了急增的现象. 总体而言,a-C:H涂层的摩擦系数和磨损率随C₂H₂/Ar流量比的增加呈现先增大后降低的趋势. 由于H原子的钝化作用及涂层力学性能的变化,使a-C:H涂层的磨损机制由磨粒磨损和黏着磨损变为磨粒磨损. 当C₂H₂/Ar流量比为1:1时,a-C:H涂层具有最低的摩擦系数(约为0.1)和磨损率[8.0×10?8 mm3/(N·m)],表现出最佳的力学及摩擦学性能,这种性能的变化与涂层中的H含量和sp2C/sp3C比密切相关.      

摩擦偶件材料对非晶含氢碳薄膜摩擦学性能的影响

利用等离子体增强化学气相沉积技术在单晶硅基底上制备了非晶含氢碳薄膜；采用Raman光谱仪、红外光谱仪和原子力显微镜等研究了碳膜的微观结构和表面形貌；采用UMT-2MT型摩擦磨损试验机考察了摩擦偶件材料对碳膜摩擦学性能的影响，并探讨了其磨损机制．结果表明：所制备的非晶含氢碳膜均匀、致密，硬度较高；当碳膜同高硬度陶瓷材料配副时，其摩擦系数低而稳定，薄膜呈现轻微擦伤和剥落磨损特征；当碳膜同低硬度的金属材料配副时，其摩擦系数高且不稳定，薄膜呈现严重粘着和磨粒磨损特征．薄膜的摩擦磨损行为同薄膜和摩擦偶件之间的相互转移有关．     

Al-DLC薄膜结构及其在水介质下摩擦学性能研究

采用磁控溅射技术,以Al为溅射靶材,甲烷为溅射气体,在不同射频功率下制备了一系列Al含量不同的类金刚石碳基薄膜(AL-DLC).分析了Al含量对薄膜成分、结构及机械性能的影响,并探讨了其在空气和水介质下的摩擦磨损行为.结果表明:Al掺杂使得薄膜中sp~3-C的生长受到抑制,sp~2-C增加,表面吸附水分子能力变强,在水介质摩擦过程中的剪切阻力变小,从而使得摩擦磨损减小.通过调整射频功率可以对薄膜中Al含量进行调控,在最优Al含量时,Al-DLC在空气和水介质中均具有优异的摩擦学性能.