钛硅共掺杂类金刚石碳膜的设计、制备及其超低摩擦性能研究

• 作 者: 姜金龙
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院研究生院 中国科学院大学
• 发表日期: 2011年期
• 关键词: 类金刚石薄膜 中频磁控溅射技术 薄膜微观结构 力学性能

利用中频磁控溅射技术制备了钛硅共掺杂的类金刚石(DLC)薄膜，考察了工艺参数对薄膜组成、微观结构和性能的影响，探讨了薄膜微观结构与力学性能、摩擦学和表面特性之间的关系。研究了钛硅共掺杂DLC薄膜在大气环境下的超低摩擦行为，并对其超低摩擦机理进行了分析。主要研究结果如下：　　
1．研究了甲烷流量、基底偏压和沉积温度等工艺参数对钛硅共掺杂DLC薄膜微结构的影响。结果表明，随着甲烷流量增加，薄膜sp3/sp2比率在0.18-0.63之间呈先降低后增加的变化趋势；随着基底偏压和沉积温度增加，薄膜sp3/sp2比率降低。薄膜微结构的变化受离子能量、离子密度及掺杂元素影响。基于掺杂元素对碳原子杂化方式的不同影响，通过钛和硅共掺杂的协同作用可以实现对DLC薄膜微结构(sp3/sp2)的调控。　　
2．研究了甲烷流量、基底偏压和沉积温度等工艺参数对钛硅共掺杂DLC薄膜性能的影响。结果表明，甲烷流量为10 sccm，偏压为-100 V时沉积的薄膜硬度最高，为13.2 GPa；甲烷流量为40 sccm，偏压为-100 V时沉积的薄膜表现出优异的摩擦学性能，在湿度为40％ RH大气环境中薄膜表现出超低摩擦力，摩擦系数最低为0.007。　　
3．研究了测试条件对钛硅共掺杂DLC薄膜摩擦学性能的影响。结果表明，随着滑动速度和载荷增加，薄膜摩擦系数从0.055逐渐减小到低于0.01的超低摩擦状态。基于气体分子在薄膜表面吸附和解吸理论解释了摩擦系数对滑动速度的依赖性。利用Hertz接触理论解释了摩擦系数对载荷的依赖性。　　
4．与钛/硅单一元素掺杂的DLC薄膜相比，钛硅共掺杂DLC薄膜具有更优异的摩擦学性能，有望作为在大气环境中应用的超低摩擦材料。钛硅共掺杂DLC薄膜的超低摩擦是多种内在和外在因素（例如，氢化作用、摩擦化学反应、摩擦诱导石墨化和转移层中的类聚合物结构）共同作用的结果。