目的通過調(diào)節(jié)偏壓,改善無氫DLC薄膜的微觀結(jié)構(gòu),提高其力學(xué)性能和減摩抗磨性能。方法采用離子束輔助增強磁控濺射系統(tǒng),沉積不同偏壓工藝的DLC薄膜。采用原子力顯微鏡（AFM）觀察薄膜表面形貌,采用拉曼光譜儀對薄膜的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,采用納米壓痕儀測試薄膜硬度及彈性模量,采用表面輪廓儀測定薄膜沉積前/后基體曲率變化,并計算薄膜的殘余應(yīng)力,采用大載荷劃痕儀分析薄膜與不銹鋼基體的結(jié)合力,采用TRB球-盤摩擦磨損試驗機(jī)評價薄膜的摩擦學(xué)性能,采用白光共聚焦顯微鏡測量薄膜磨痕輪廓,并計算薄膜的磨損率。結(jié)果偏壓對DLC薄膜表面形貌、微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、摩擦學(xué)性能都有不同程度的影響。偏壓升高導(dǎo)致碳離子能量升高,表面粗糙度呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢,-400V的薄膜表面具有最小的表面粗糙度且C─Csp³鍵含量最多,這也導(dǎo)致了此偏壓下薄膜的硬度最大。薄膜的結(jié)合性能與碳離子能量大小呈正相關(guān),-800 V時具有3.98 N的最優(yōu)結(jié)合性能。不同偏壓工藝制備的薄膜摩擦系數(shù)隨濕度的增加,均呈現(xiàn)減小的趨勢,偏壓為-400V時,薄膜在不同濕度環(huán)境中均顯示出最優(yōu)的摩擦學(xué)性能。結(jié)論偏壓為-400 V時,DLC... 

【文章來源】：表面技術(shù). 2020,49(03)北大核心

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

不同偏壓工藝制備的DLC薄膜的AFM圖

當(dāng)偏壓從-200 V增加到-400 V時，DLC薄膜的G峰峰位從1525.75 cm-1減小至1513.19 cm-1,ID/IG值從2.37降低至1.84；偏壓繼續(xù)增加至-600 V和-800 V時，G峰峰位分別增加至1521.94 cm-1和1529.27 cm-1,ID/IG值分別增加至2.82和3.63。偏壓增加至-400 V時，薄膜C─C sp3鍵含量增加，這與薄膜力學(xué)性能的改變密切相關(guān)。當(dāng)偏壓繼續(xù)增加至-600 V和-800 V時，沉積過程中碳離子能量進(jìn)一步升高，使DLC薄膜內(nèi)部原子發(fā)生局域結(jié)構(gòu)和應(yīng)力馳豫，促使部分sp3雜化鍵轉(zhuǎn)變?yōu)閟p2雜化鍵。對譜圖的半高寬進(jìn)行分析可知，此偏壓工藝下，DLC薄膜G峰的半高寬先增大后減小。這一結(jié)果表明，DLC薄膜中sp2團(tuán)簇尺寸先降低后增加，sp2團(tuán)簇鍵角混亂度則先升高后降低。2.3 偏壓對DLC薄膜力學(xué)性能的影響

不同偏壓工藝制備的DLC薄膜的硬度和彈性模量如圖3所示。由圖中可以看出，隨著偏壓的增加，DLC薄膜的硬度和彈性模量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。當(dāng)偏壓為-200 V時，薄膜的硬度和彈性模量分別為(16.3±0.7)GPa和(180±3)GPa。當(dāng)偏壓為-400 V時，薄膜的硬度和彈性模量顯著增加且達(dá)到最大值，其值分別為(17.1±0.5)GPa和(192±4)GPa。當(dāng)偏壓繼續(xù)增大至-600 V和-800 V時，薄膜硬度分別為(12.1±1.2)GPa和(10.2±0.6)GPa，彈性模量分別為(167±8)GPa和(145±3)GPa。綜合DLC薄膜結(jié)構(gòu)和表面形貌結(jié)果可知，當(dāng)偏壓為-400 V時，薄膜sp3雜化鍵含量最多，這有利于提高薄膜的硬度和彈性模量。與此同時，薄膜的表面粗糙度低，這有利于減小硬度測量時的誤差范圍。隨偏壓繼續(xù)增大，薄膜中sp3雜化鍵含量逐漸減少，表現(xiàn)出石墨化趨勢。因此，過高的偏壓導(dǎo)致DLC薄膜的硬度和彈性模量降低。不同偏壓工藝制備的DLC薄膜與304不銹鋼基體的結(jié)合力和薄膜內(nèi)應(yīng)力如圖4所示，DLC薄膜劃痕形貌如圖5所示。從圖中可以看出，隨偏壓的增加，DLC薄膜的結(jié)合力逐漸增加。較小的偏壓使沉積過程中碳粒子能量過低，沉積過程中與基體的結(jié)合力較差。當(dāng)偏壓逐漸升高至-800 V時，DLC薄膜的結(jié)合力明顯提升。當(dāng)偏壓為-800 V時，薄膜與304不銹鋼基體的臨界載荷LC2達(dá)到最大值，為3.98 N。這一結(jié)果主要取決于以下兩方面：一方面，薄膜內(nèi)應(yīng)力的下降有助于提升其與基體的結(jié)合力；另一方面，沉積粒子能量隨偏壓升高而升高，粒子對表面有強烈的轟擊作用，有助于促進(jìn)薄膜與基體的結(jié)合，提高薄膜的結(jié)合力。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]類金剛石薄膜在硅基底上的沉積及其熱導(dǎo)率[J]. 艾立強,張相雄,陳民,熊大曦.  物理學(xué)報. 2016(09)



本文編號：3018631