离子束DLC薄膜的制备与摩擦学行为研究

• 作 者: 赵博通
• 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: 阳极层离子源 类金刚石碳膜 测试环境 摩擦学 薄膜制备

类金刚石碳膜(DLC)由于其独特的结构具有高硬度、低磨损、高的光学透过性和良好的生物相容性等优点,作为保护性涂层在力学、摩擦学、生物医学等方面得到了诸多应用。但是,DLC薄膜在不同环境中的摩擦学稳定性较差,磨损机理不甚明确,这极大的限制了其广泛应用。近年来发展起来的线形阳极层离子源(LIS)可用于DLC薄膜的制备,但对其摩擦学性能的系统研究较少。本文采用LIS结合脉冲负偏压技术制备了DLC薄膜,研究了沉积参数对DLC薄膜结构和力学性能的影响,并重点分析了沉积参数和摩擦测试参数对室温大气环境中薄膜摩擦学行为的作用规律,探讨了相关摩擦磨损机理。相关结果为进一步研究低环境敏感性DLC薄膜的可控制备并促进其在摩擦学领域的广泛应用提供了理论和技术基础。　　
研究发现,沉积参数中,碳氢气体种类与真空腔内工作气压对薄膜的沉积速率有显著影响。气体的种类还会影响LIS放电电压与沉积粒子有效能量之间的关系,放电电压则由气体流量和工作气压共同决定。气体种类及沉积粒子能量共同影响了DLC薄膜中H含量和sp3含量,进而影响了其力学性能。脉冲负偏压主要对沉积粒子的数量和能量有一定影响,同时有益于缓解基体上的电荷积累。　　
在室温大气环境中,摩擦载荷和线速度的增大导致摩擦界面处温度升高、转移层物质的石墨化程度增强,从而降低了摩擦系数。摩擦测试参数不变时,附着于对磨球上的转移层在空气中O2和水分的共同作用下不能保持完整,得到了略大于0.1的摩擦系数。薄膜结构对摩擦学行为最主要的影响,表现为磨损以及摩擦系数通常与弹性模量所决定的、薄膜与对磨球之间初始赫兹接触半径正相关。　　
N2环境中对磨球上的转移层保持了完整,导致摩擦系数和磨损率很小;油环境中DLC薄膜的摩擦学行为主要由起到流体润滑作用的液体石蜡所决定,摩擦系数稳定、较低并且观察不到磨损;不同相对湿度条件下,以CH4和C2H2为气源制备薄膜的摩擦学行为分别与H含量较高和较低的薄膜类似;液态水不能起到流体润滑作用,其摩擦学行为与高相对湿度环境的差别可能源于摩擦界面不能接触到空气中的O2。