【摘要】：類金剛石碳基(Diamond-like carbon,DLC)薄膜一般由sp~3-C鍵(金剛石結(jié)構(gòu))和sp~2-C鍵(石墨結(jié)構(gòu))組成,屬于亞穩(wěn)無定形碳材料的一種。具有高硬度、高透過率、耐磨、耐蝕等優(yōu)異性能,在航空航天、汽車、生物醫(yī)藥方面具有巨大應用前景。但因薄膜制備過程中高能粒子的連續(xù)轟擊,導致薄膜存在殘余應力高、膜/基結(jié)合力差、摩擦環(huán)境敏感性強等問題,這使其應用受到極大限制。大量文獻研究證實,金屬摻入類金剛石碳基薄膜中能顯著降低內(nèi)應力。但單一元素的摻雜,很難滿足實際應用中復雜、多變、苛刻工況下的強韌、低應力、減摩等綜合性能要求,因此,研究和發(fā)展高性能的DLC薄膜材料尤為迫切。通過雙元金屬摻雜,借助不同摻雜金屬元素間的特性互補,是解決上述問題的有效途徑。本文根據(jù)前期課題組理論計算研究,重點開展了Ti、Al共摻雜DLC(Ti/Al-DLC)復合薄膜體系的研究。首先,利用線性離子束成功制備了雙元金屬Ti/Al摻雜DLC薄膜,并通過改變氣源、濺射電流、偏壓實現(xiàn)了金屬含量(Ti_(0-13.0 at.%),Al_(0-13.6 at.%))的調(diào)控。研究表明:隨Ti、Al摻雜含量的增加,薄膜內(nèi)應力和硬度都先下降后增加。當摻入少量金屬時(Ti10.1%、Al4.8%),薄膜中摻雜的金屬主要固溶在非晶碳基質(zhì)中,鍵角可憑借其發(fā)生扭轉(zhuǎn),形成釋放應力的“樞紐”,導致薄膜內(nèi)應力降幅高達約71%,而硬度僅損失18.4%;摻雜含量增多時,金屬Ti與C反應形成納米晶碳化物,此時薄膜為納米晶/非晶復合結(jié)構(gòu),晶界增多,晶界的擴散或滑移成為殘余應力釋放的方式,在內(nèi)應力降低的同時,硬質(zhì)顆粒相碳化物的存在維持了薄膜的高硬度。但進一步增大金屬含量,硬質(zhì)碳化物晶粒尺寸長大、數(shù)量增加,導致sp~3-C含量增加,使薄膜硬度和內(nèi)應力均增加。為提高Ti/Al-DLC薄膜與不同襯底的適配性,在薄膜和不銹鋼襯底間添加Ti、Al過渡層并研究了其對薄膜性能的影響。結(jié)果表明:過渡層的添加可有效降低內(nèi)應力(1.03 GPa降低至0.25 GPa),提高薄膜結(jié)合力(從60.5 N增加到67.2 N)。另外,添加過渡層后,劃痕周圍產(chǎn)生的裂紋數(shù)量和面積減少,薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的承載能力。進一步研究添加過渡層的Ti/Al-DLC薄膜在大氣和PAO環(huán)境下的摩擦行為。發(fā)現(xiàn):薄膜在兩種環(huán)境下均呈現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦性能。其中,在大氣環(huán)境中,接觸界面能夠形成低剪切力的轉(zhuǎn)移膜,導致薄膜具有較低摩擦系數(shù)0.05;在潤滑油環(huán)境下,薄膜摩擦系數(shù)為0.11,磨損率2.68×10~(-17) m~3N~(-1)m~(-1),耐磨性能優(yōu)于大氣環(huán)境中(1.56×10~(-16) m~3N~(-1)m~(-1)),這主要歸因于對磨球上犁溝的存在,能夠儲存潤滑油,在摩擦過程中產(chǎn)生液壓油膜,避免了對磨副間直接接觸,從而降低磨損率。最后,基于上述過渡層優(yōu)化工藝,深入研究了大氣環(huán)境下?lián)诫s金屬的DLC薄膜減摩潤滑機理。發(fā)現(xiàn)濺射電流為2.5 A(Ti_(10.1 at.%)Al_(4.5 at.%))時,沉積的薄膜具有最低的摩擦系數(shù)和磨損率,分別為0.05和1.56×10~(-16) m~3N~(-1)m~(-1)。結(jié)構(gòu)分析顯示磨痕表面的石墨化程度高,對偶球磨斑上形成連續(xù)致密的轉(zhuǎn)移膜。轉(zhuǎn)移膜厚度約為3μm,且與本征薄膜微結(jié)構(gòu)相比,轉(zhuǎn)移膜發(fā)生明顯偏析,形成以非晶碳為網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)包覆大塊金屬團簇(主要是TiC和Al_2O_3)的特殊雙相結(jié)構(gòu)。在摩擦過程中易發(fā)生剪切滑移,有助于摩擦過程能量的釋放,薄膜表面富集的金屬碳化物或氧化物層可以防止O對碳基質(zhì)的侵入和破壞,大大提高DLC薄膜的抗氧化性能,從而使薄膜獲得優(yōu)異的摩擦性能。
【學位授予單位】：寧波大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TQ127.11;TB383.2
【圖文】：

鈦、鋁共摻雜類金剛石碳基薄膜的制備、結(jié)構(gòu)及摩擦學行為研究石碳基薄膜類新型碳材料，與純石墨（sp2-C）和純金剛石（sp3-C）不同，比例組合而成的三維結(jié)構(gòu)。因此 DLC 具有很多優(yōu)異特性與純金類似。此外，DLC 表面粗糙度很低，在光潔度要求高的工況應用 制備方法中，由于 PVD 溫度低襯底的選擇性更廣，更適用于大理想的表面防護材料，在機械、航空等領域有重要應用。能主要受薄膜內(nèi)的 sp3-C、sp2-C 及 H 含量的影響，Jacob 和 Mo當時的文獻后，認為 DLC 是由 sp2-C、sp3-C 和 H 三相組成的。示，可直觀觀察 DLC 薄膜中 sp2-C、sp3-C 和 H 含量的關系。

鈦、鋁共摻雜類金剛石碳基薄膜的制備、結(jié)構(gòu)及摩擦學行為研究目前多元摻雜 DLC 薄膜的研究僅根據(jù)試驗結(jié)果隨機組成，缺乏系統(tǒng)的理論。多元摻雜 DLC 薄膜微觀結(jié)構(gòu)、機械性能、摩擦性能的協(xié)同機理有待澄清，是多元摻雜在摩擦過程中的協(xié)同作用機制還不清楚，需進一步研究分析，為摻雜薄膜在摩擦部件的應用實現(xiàn)理論指導。

【參考文獻】

相關期刊論文 前3條

1 卓國海;柯培玲;李曉偉;汪愛英;趙運才;;不同過渡層對DLC薄膜力學性能和摩擦學性能的影響[J];中國表面工程;2015年06期

2 代偉;;金屬摻雜類金剛石納米復合涂層的制備、結(jié)構(gòu)與性能[J];新技術新工藝;2015年07期

3 牛仕超;余志明;代明江;林松盛;候惠君;李洪武;;Cr/CrN/CrNC/CrC/Cr-DLC梯度膜層的研究[J];中國表面工程;2007年03期

本文編號：2736564