【摘 要】
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电接触材料长期服役于滑动接触环境易磨损失效,故有必要研究开发导电性能优异且减摩效果显著的复合材料。非平衡磁控溅射技术沉积复合薄膜若能满足电接触材料的性能要求,可为此类材料制备提供一种新的技术途径。论文在青铜基体表面通过调节Ag靶溅射电流和溅射偏压沉积制备不同Ag含量掺杂的Cu-Ag薄膜,研究了工艺参数引起的薄膜粗糙度、厚度、Ag含量及微观结构对薄膜面电阻影响规律;分析了薄膜结合力、硬度、摩擦系数和
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电接触材料长期服役于滑动接触环境易磨损失效,故有必要研究开发导电性能优异且减摩效果显著的复合材料。非平衡磁控溅射技术沉积复合薄膜若能满足电接触材料的性能要求,可为此类材料制备提供一种新的技术途径。论文在青铜基体表面通过调节Ag靶溅射电流和溅射偏压沉积制备不同Ag含量掺杂的Cu-Ag薄膜,研究了工艺参数引起的薄膜粗糙度、厚度、Ag含量及微观结构对薄膜面电阻影响规律;分析了薄膜结合力、硬度、摩擦系数和磨损率随Ag靶溅射电流变化规律并揭示了磨损机理。在Cu-Ag薄膜综合性能较好的工艺基础上通过调节C靶电流共溅射沉积Cu-Ag-C复合薄膜并研究其导电性能、力学性能和摩擦学性能变化。结果表明:不同Ag靶电流下制备的Cu-Ag薄膜,电流较小时少量的Ag在Cu中固溶致薄膜面电阻增大;Ag靶电流0.5A后过饱和的单质银导致面电阻减小,1A时薄膜柱状晶贯穿了薄膜厚度,面电阻进一步降低。溅射偏压提高导致的Cu-Ag薄膜厚度减小和含银量略微降低均未引起面电阻增加,反而是高偏压下薄膜表面粗糙度的减小和致密性的提高使面电阻降低。不同C靶电流下Cu-Ag-C薄膜面电阻变化的主要原因是微观结构,碳的加入阻碍了Cu(111)和Ag(111)晶面优势取向生长,结晶状态趋于非晶生长导致面电阻增加;C靶电流继续增大,石墨化致面电阻下降。Cu-Ag-C薄膜面电阻略高于Cu-Ag薄膜,但C靶电流1.1A面电阻升高不多。划痕法表征发现Cu-Ag薄膜和Cu-Ag-C薄膜结合强度均较好。Cu-Ag薄膜硬度因少量Ag的固溶而增大,Ag含量增多则硬度减小;Cu-Ag-C薄膜趋于非晶生长导致硬度明显高于Cu-Ag薄膜,碳含量较高时sp~2杂化的C-C键含量增多趋于石墨化使硬度稍有下降。Cu-Ag薄膜摩擦系数略高于基体,但磨损率几乎全部低于基体,Ag电流0.3A时磨损率最小,与基体相比下降28.8%,与纯铜薄膜相比下降18.9%,加入适量的银可改善薄膜耐磨性;Cu-Ag合金薄膜与钢球磨损机理以黏着磨损为主,伴有氧化磨损、磨粒磨损及疲劳磨损。Cu-Ag-C薄膜摩擦系数和磨损率均低于Cu-Ag薄膜,C电流0.1A摩擦系数下降最多约16%,0.7A磨损率下降14.1%且面电阻上升很小。C的加入可明显强化薄膜,膜-基体系承载能力得以提升,同时减轻黏着磨损引起的膜层剥落,能在不增加或少增加薄膜面电阻的情况下进一步提升减摩效果。
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