Ti掺杂类金刚石薄膜的制备及其高温摩擦学性能研究

为探究金属Ti掺杂DLC薄膜在高温环境下的摩擦磨损行为,通过射频磁控溅射和直流磁控溅射混合的沉积系统制备不同Ti含量的Ti-DLC薄膜,利用SEM、XRD、Raman、纳米压痕和摩擦试验机等分析Ti含量对Ti-DLC薄膜的微观结构、力学性能及不同温度下的摩擦学性能的影响。结果表明:Ti掺杂使得Ti-DLC薄膜中sp^(3)键的占比随着Ti含量的增加先升高后下降;Ti掺杂提高了Ti-DLC薄膜的硬度和弹性模量,并一定程度上提升了Ti-DLC薄膜的膜基结合力。摩擦测试表明:在常温下,Ti-DLC薄膜的摩擦因数和磨损率随Ti含量的增加而下降,但薄膜发生明显的磨粒磨损,且磨损率略高于DLC薄膜;Ti掺杂有效地提高了DLC薄膜的热稳定性和高温摩擦学性能,在300℃的高温下,掺杂薄膜仍维持较低的摩擦因数和磨损率。

钽掺杂含量对类金刚石薄膜力学性能及生物相容性的影响

目的探索钽(Ta)掺杂类金刚石(DLC)薄膜的结构转变规律,并提升其力学性能、摩擦性能及生物相容性能。方法采用非平衡性磁控溅射镀膜技术,在0~0.5 kW功率下,制备了不同Ta掺杂含量的DLC薄膜。对其微观形貌、组织成分、摩擦性能、力学性能以及生物相容性进行了详细表征。结果钽的掺入提升了碳的沉积速率,导致薄膜厚度增加,薄膜中sp3-C含量随Ta掺杂量的增加先升高后降低。在Ta-0.2 kW及以上的DLC薄膜中出现了TaC晶体和Ta—Ta纳米团簇,这导致薄膜表面粗糙度先增后减。与未掺杂的DLC薄膜相比,掺杂Ta的DLC薄膜的膜基结合力从10 N提高到25 N,断裂韧性从0.6 MPa·m^(1/2)提高到1.6 MPa·m^(1/2)以上,干摩擦因数从0.45降低到0.1~0.15,湿摩擦因数0.35降低至约0.1,干摩擦磨损率从4500×10^(-6)mm^(3)/(N·m)降低至7×10^(-6)mm^(3)/(N·m)以下,湿摩擦磨损率更是降低到1×10^(-6)mm^(3)/(N·m)。但掺杂Ta的DLC薄膜的弹性模量有所降低,润湿性也略有下降,硬度并没有太大改变。此外,掺杂Ta的薄膜还表现出了良好的诱导羟基磷灰石形成能力,生成的羟基磷灰石层的钙磷原子比(Ca/P)介于1.4~1.65,接近人体的Ca/P比例,并且无论掺杂还是未掺杂的薄膜均未显示出细胞毒性。结论钽的掺入显著提升了DLC薄膜的膜基结合力、断裂韧性、摩擦磨损性能和促进羟基磷灰石形成能力。因此,这种薄膜具有作为生物保护层应用于植入体表面的潜力。在Ta-0.4 kW时,Ta-DLC薄膜展现出了最佳的综合性能。

掺硅类金刚石薄膜的HiPIMS-MFMS共沉积制备及其高温摩擦学行为研究

元素掺杂是提高类金刚石(DLC)薄膜高温耐摩擦性能的重要途径.本文中采用高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)和中频磁控溅射(MFMS)复合技术在304不锈钢表面沉积具有不同Si含量的掺硅类金刚石(Si-DLC)薄膜,利用原子力显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、纳米压痕和UMT-TriboLab摩擦试验机等系统分析了Si含量对Si-DLC薄膜的结构、力学性能及不同温度下的摩擦学性能的影响,重点探讨了Si-DLC薄膜在高温下摩擦磨损机制.结果表明:Si-DLC薄膜中Si以四面体碳化硅的形式随机分布于无定型DLC基体中,增强薄膜的韧性.同时,Si掺杂使DLC薄膜向金刚石结构发生转变并显著提高了薄膜的硬度.摩擦结果表明,当Si原子分数为15.38%时,Si-DLC薄膜在常温下的摩擦系数和磨损率最低,同时该薄膜在300℃下能维持在较低的摩擦系数(约0.1),主要是由于Si-DLC薄膜中的四面体碳化硅结构能够提升sp^(3)键的稳定性.此外,Si-DLC薄膜中的Si在高温摩擦时会在对偶球表面形成1层SiO_(2)保护层,减缓Si-DLC薄膜和过渡层的氧化,使得薄膜能够在高温下持续润滑.当Si含量进一步增加时,Si-DLC薄膜的力学性能显著提升,然而其摩擦学性能发生明显降低,主要是当DLC薄膜中的硅含量过高时,大气环境下的高温摩擦使得薄膜内的氧化加剧,过量氧化硅的生成破坏了薄膜结构从而导致摩擦性能下降.

纺织钢领用类金刚石涂层在不同温度下的摩擦性能

为研究纺织钢领用类金刚石(DLC)的高温摩擦磨损机制,采用磁控阴极弧增强磁控溅射法在20号钢(20#)表面沉积得到掺杂Cr元素的DLC样品。借助扫描电子显微镜观察DLC样品的表面形貌;通过X射线衍射仪、能量色散谱仪和拉曼光谱仪分析DLC样品的结构成分;使用纳米压痕试验机测试涂层的力学性能。利用高温摩擦磨损试验机测试涂层在不同温度下(25、100、200、300℃)的摩擦性能,并结合仿真分析钢领的受力对摩擦过程的影响。结果表明:20#和20#-DLC 2种试样的平均摩擦因数随着温度上升呈先上升后下降的趋势;20#试样在300℃下生成氧化物,大量的氧化物形成附着层,平均摩擦因数降低到0.54;20#-DLC试样在温度为200℃和300℃时发生石墨化,形成以碳元素为主的转移层,转移层替代附着层存在,摩擦由涂层-附着层转变为涂层-转移层,平均摩擦因数由0.145降至为0.107。通过仿真分析得出,沉积DLC后的钢领在实际运行中所受的最大应力值和最大变形量分别为4.20×108 Pa和9.69×10-3 mm。

磁场辅助激光生长类金刚石膜的微结构及光学性能

在脉冲激光沉积技术中引入非均匀磁场,探索磁场约束激光等离子体条件下生长类金刚石膜的特性,为进一步提高类金刚石膜中sp~3键含量、增强微结构调控提供理论和实验基础.计算了磁场的磁感应强度及其磁力线分布,仿真了碳离子在磁场约束下的飞行轨迹,显示出磁场限制了碳离子的自由膨胀,使其螺旋前进并向永磁体中心区域聚集.膜层表面干涉和椭偏测量的拟合参数显示,磁场的磁感应强度越高,激光生长类金刚石膜的厚度及光学性能越不均匀.拉曼光谱及其拟合结果显示,磁场有利于提高碳网络结构的局部压力、提高膜层中的sp~3键含量.

高速钢表面类金刚石薄膜的掺氮改性研究

高速钢表面类金刚石(diamond-like carbon,DLC)薄膜的沉积效率和膜-基结合力影响其在切削刀具领域的应用。基于空心阴极原理,利用等离子体增强化学气相沉积(plasma-enhanced chemical vapor deposition,PECVD)的方法,在体积比为1∶3的CH_(4)和C_(2)H_(2)的混合气体中加入N_(2)在高速钢表面制备类金刚石薄膜,研究了N_(2)体积分数对DLC薄膜结合力和耐磨性的影响。结果表明:掺氮可提高DLC薄膜的沉积效率,改善膜结构。随着N_(2)体积分数的增加,DLC薄膜中sp^(3)键含量和摩擦因数均先增大后减小。掺10%体积分数N_(2)的DLC薄膜厚度达1543 nm,膜-基结合力等级从HF4提高到HF2,摩擦因数降至0.139,耐磨性提高。

氮硅共掺对类金刚石薄膜组织及性能影响

为了研究不同掺杂元素对类金刚石(DLC)薄膜改性的协同影响,利用等离子体增强化学气相沉积技术在2024铝合金表面制备N、Si共掺的DLC薄膜,研究N_(2)与TMS流量比对N/Si-DLC薄膜结构和性能的影响规律及相应机制。结果表明,随着N_(2)与TMS流量比值在一定范围内增大,N/Si-DLC薄膜与基体结合强度、硬度及弹性模量逐渐升高,但当N_(2)与TMS流量比继续增加后薄膜的力学性能反而出现下降趋势。N_(2)与TMS流量比为30∶30时,薄膜具有最高的硬度和弹性模量,分别为11.58 GPa和108.4 GPa。同时,N/Si-DLC薄膜耐蚀性能随N_(2)与TMS流量比值增大先升高后降低。N_(2)与TMS流量比为30∶30时,薄膜较致密,缺陷较少,耐腐蚀性能较好。

类金刚石碳基涂层热稳定性研究进展

类金刚石碳基(Diamond-like Carbon,DLC)涂层性能优异,前景广阔,但热稳定性不足制约了DLC涂层在严苛高温工况下的应用。首先,综述了DLC涂层热稳定性研究方法的发展现状,对比了热处理结合非原位测试、热分析、高温原位测试、模拟计算4种常用研究方法的优劣势。其次,归纳总结了组分、制备方法和退火环境对DLC涂层热稳定性的影响过程和作用机制,发现高sp^(3)含量的无氢DLC涂层呈现出最优异的热稳定性。而不同制备方法通过影响涂层结构、sp^(3)含量、氢含量获得热稳定性各异的DLC涂层。另外,涂层在真空及惰性气体环境中的热稳定性比含氧环境更好。通过异质第三元素掺杂、多层结构、梯度结构,可进一步提高DLC涂层热力学性能。其中,元素掺杂通过改变DLC组分和键态结构,实现对涂层热稳定性的调控;而多层及梯度结构设计主要通过降低涂层应力,突破厚膜关键制备技术,进而提高涂层热稳定性。结合涂层微结构的演变规律,进一步从涂层自身石墨化、氧化、脱氢和剥落行为,阐述了DLC涂层的高温失效机理。最后,对设计和发展DLC高温防护涂层材料技术的共性挑战和未来趋势做了分析展望。

新型多梯度类金刚石涂层生长及表征

在Cr12MoV表面沉积Cr/Cr-WC/WC-H/ta-C:H多梯度涂层。通过扫描电子显微镜、拉曼光谱仪、X射线光电子能谱对多梯度涂层微结构进行表征,运用纳米压痕仪、纳米划痕测试仪及球盘式摩擦计对其力学性能进行了研究。结果表明,与未沉积涂层的Cr12MoV相比,Cr/Cr-WC/WC-H/ta-C:H多梯度涂层的摩擦系数约为其10%,最低可达0.019。Cr/Cr-WC/WC-H/ta-C:H多梯度类金刚石涂层的硬度最高达24.1 GPa,附着力为62 N。设计新型多层梯度涂层引入的高润滑性非晶碳和硬支撑WC层,抑制了裂纹扩展,显著地提高了Cr12MoV的力学性能。此外,电化学腐蚀试验表明,Cr/Cr-WC/WC-H/ta-C:H多梯度涂层在3.5%NaCl溶液中有着良好的耐腐蚀性能。

乙炔前驱体对含银的类金刚石碳薄膜结构和抗菌性能的影响

本研究在磁控溅射镀膜气氛中添加乙炔,制备了含银的氢化类金刚石碳(DLC-Ag)薄膜,以抑制薄膜表面银析出。通过扫描电镜、电子能谱、色差和显微硬度测量、琼脂平板计数抗菌实验,考察其对膜层抗菌性能的影响。结果表明,乙炔流量升高时,薄膜表面的银析出减少,黑度增加,硬度降低;银含量最低的试样(0.8 at%)也对大肠杆菌表现出良好的抗菌性能。

类金刚石结构的分子动力学与人工神经网络耦合研究

掺氮类金刚石薄膜(N-DLC)可以改善零件表面的摩擦学性能,近些年来对N-DLC薄膜摩擦学特性研究的热度居高不下。由于计算资源与计算机运行时间有限,难以获得大量数据对N-DLC薄膜摩擦实验中界面结构演化规律进行微观模拟。为了探究分子动力学和人工神经网络交叉使用的可行性,全面了解N-DLC的摩擦学性质及规律,将BP神经网络、KELM神经网络引用到N-DLC的研究中。通过LAMMPS软件对N-DLC进行建模,将分子动力学模拟的数据作为人工神经网络的数据来源,对两种神经网络进行训练。利用验证样本对训练好的两种模型进行验证,将两种神经网络的预测结果进行对比,选出性能最佳的网络模型。结果表明,采用神经网络可以预测N-DLC内部杂化键的变化趋势,且效率更高,所需计算资源更少,在一定程度上可以代替分子动力学模拟结果,为人们提供进一步的分析判断。研究为促进分子动力学与人工神经网络两种方法的共同发展提供了有益探索。

类金刚石薄膜的摩擦腐蚀性能研究进展

类金刚石(Diamond-Like Carbon,DLC)碳膜具有硬度高、摩擦系数低、磨损率低、耐腐蚀性强等特点,自80年代以来备受关注,现已得到了广泛应用。但其摩擦腐蚀性能受微观结构、组分和环境介质影响较大,限制了实际应用范围。讨论了氢含量、掺杂异质元素及多层结构对DLC薄膜在溶液介质中摩擦腐蚀性能的影响,总结了DLC薄膜在海水环境、醇类环境及酸性环境中的摩擦腐蚀行为,探讨了薄膜在海水环境中的摩擦腐蚀机理。展望了DLC薄膜摩擦腐蚀性能的发展趋势。

类金刚石自润滑涂层对粉末冶金零件耐磨性的影响

制备了不同密度的粉末冶金铁基零件,采用超声喷丸技术对粉末冶金样品进行表面致密化处理,选择不同密度的烧结态及喷丸处理粉末冶金样品作为基体,利用物理气相沉积技术在粉末冶金零件表面沉积了类金刚石自润滑涂层,研究类金刚石涂层的结合力与摩擦学性能。结果表明:密度高的基体与涂层结合力较好,经过喷丸强化处理的基体具有更好的结合力,约为28.0 N;但是在超声喷丸处理过程中,基体表层会产生巨大的压应力,基体与涂层内的残余应力累积会导致涂层过早失效;为减小超声喷丸带来的应力累积,对喷丸处理后的样品进行退火处理,退火后基体表面和涂层之间有更高的结合力,约54.5 N。相比于裸基体,具有类金刚石涂层的样品摩擦性能大幅度提高,没有涂层保护的基体摩擦系数约为0.60,具有类金刚石涂层保护的烧结态样品摩擦系数约为0.15;与只做喷丸处理基体表面涂层的润滑性相比(摩擦系数0.13~0.17),退火处理基体表面涂层的润滑性更稳定(摩擦系数约为0.13)。

纺织钢领用类金刚石涂层的高温摩擦性能分析

为了研究纺织钢领用类金刚石涂层(DLC)的高温摩擦性能,采用低温PVD涂层技术在高碳钢表面沉积制备DLC涂层。借助扫描电镜观察DLC涂层的表面形貌;通过X射线光电子能谱仪测试、能谱仪和拉曼光谱仪分析DLC涂层的结构成分;使用划痕试验机测试涂层的力学性能。利用高温摩擦磨损试验机测试涂层在不同温度下的摩擦性能。结果表明:GCr15试样与钢球配副的平均摩擦系数随着温度的升高而增大,最大值达到0.88。其中,钢球配副的磨损体积呈现出相同的变化趋势,最大磨损体积为2.88×10^(−3)mm^(3)。沉积DLC涂层之后,摩擦副的平均摩擦系数表现出先增大后降低的趋势。当测试温度为25℃时,涂层试样平均摩擦系数为0.033,且钢球磨损体积最低达到3.87×10^(−6)mm^(3);测试温度上升至100℃时,平均摩擦系数值增大至0.212;随着测试温度进一步升高,平均摩擦系数降低至0.088。未沉积涂层的试样在摩擦过程中产生的高温使得界面形成大量氧化物颗粒,加剧磨损程度;而涂层试样在测试温度高于涂层石墨化程度时,涂层摩擦界面产生石墨化转变并形成以碳元素为主的转移层,发挥固体润滑介质的作用,最终导致摩擦系数降低。

类金刚石碳膜导电材料设计与制备工艺技术研究

当传感器工作时,电刷与电阻体始终处于滑动接触和摩擦的状态,长期工作会导致涂覆的电阻薄膜磨损严重,直接影响传感器的使用寿命。为了提高传感器的可靠性,增强传感器电阻敏感元件的耐磨性,本文提出了一种类金刚石碳(DLC)膜导电材料设计与制备工艺技术。在氧化铝基片陶瓷上,采用双靶共溅射的工艺,通过精确地控制溅射条件,获得均匀且致密的类金刚石膜,在满足高精度与小型化要求的同时,增强异质材料长期工作的稳定性。

类金刚石膜层制备及摩擦磨损性能

为解决某型扭力臂轴及配合衬套的磨损问题,使用磁控溅射和等离子增强化学气相沉积技术,在30CrMnSi-Ni2A表面制备了渐变过渡结构的类金刚石膜层(DLC)。使用球磨法、纳米压痕法、划痕法测量DLC膜层性能,膜厚为4.3μm,硬度≥1900 HV,膜基结合力≥30 N。经过滑动磨损测试,膜层摩擦系数≤0.2,摩擦磨损率≤2×10^(-6) mm^(3)·r^(-1)。经过20000转次耐磨测试,与硬铬镀层的扭力臂轴对比,DLC膜层配合衬套的磨损量远低于硬铬镀层配合衬套,可满足扭力臂轴耐磨润滑需求。

精密模压模具用类金刚石薄膜表面失效与恢复

为了研究精密模压模具用类金刚石(DLC)薄膜的表面失效过程,探索恢复失效薄膜表面性能的方法,用磁过滤阴极电弧设备在硬质合金模具上制备无氢类金刚石ta-C薄膜,在精密模压机上使用该模具对玻璃开展模压。通过拉曼光谱检测经历不同次数模压薄膜结构变化情况,使用维氏硬度计、白光干涉仪检测模压前和多轮模压后ta-C薄膜的表面状态差异,从而评价薄膜在精密模压过程中的失效方式。结果表明:随着模压次数的增加,ta-C薄膜拉曼特征峰比值I_(D)/I_(G)从0.66上升到超过2.67,发生四面体配位sp^(3)向三配位键合结构sp^(2)的相转变。ta-C薄膜的硬度经模压后下降了15.5%,表面粗糙度由0.6 nm增大到25.8 nm,且膜层的整体均匀性下降。薄膜失效异常位置分析揭示了相转变主要发生在薄膜外表面,薄膜内部结构在模压过程中仍保持相对稳定,通过氧离子刻蚀可以使模压后的ta-C薄膜表面状态恢复。

离子氮化对高速钢表面类金刚石膜性能的影响

根据空心阴极原理,研究了离子氮化对高速钢表面渗氮层的厚度、硬度等影响.在此基础上,研究了气体体积配比对渗氮后高速钢表面沉积的类金刚石膜的结合力、sp3键含量和耐磨性能的影响.研究结果表明:离子氮化后,高速钢表面镀膜结合力明显提高,由10.35 N提高至18.56 N;降低气体体积配比中CH_(4)的含量有利于提高膜层中sp3键的含量,高速钢耐磨性能明显提升,摩擦系数由0.175降至0.1.离子氮化可有效提高高速钢表面沉积的类金刚石膜性能.

微波等离子体制备类金刚石薄膜进展

随着对材料需求的日渐增长,在材料表面沉积性能优异的薄膜以提高材料的使用性能成为一种趋势。类金刚石薄膜具有高硬度、强的耐腐蚀性能、低摩擦因数、良好的耐磨损性等优势,在工业制造领域受到越来越多的关注。介绍了电子回旋共振等离子体源和表面波等离子体源的原理及在制备DLC薄膜中的应用,分析了沉积过程中影响DLC薄膜性能的主要因素,指出了目前存在的问题,总结了微波等离子体源能够产生大面积的高密度等离子体,且无电极污染等优势,为促进高性能DLC薄膜的制备和应用提供参考。

PECVD类金刚石涂层的结构及其摩擦腐蚀行为

采用等离子体增强化学气相沉积技术(PECVD)在316L不锈钢上制备类金刚石(DLC)涂层,系统地研究了所制备类金刚石涂层的表面形貌与结构、不同载荷下的摩擦磨损行为以及NaCl溶液(3.5 wt%)中不同腐蚀时间下的腐蚀行为。研究结果表明:制备的DLC涂层是由sp^(3)键和sp^(2)键杂化形成的非晶碳结构,其中sp^(2)-C含量大于sp^(3)-C,具有典型的类金刚石碳特征;DLC涂层结构致密,表面平滑,粗糙度仅为Ra=12.1 nm,能够与316L不锈钢基体结合紧密;DLC涂层的接触角为59.44°,说明涂层表现出一定的润湿性;摩擦磨损测试结果表明DLC涂层具有良好的润滑效果,摩擦系数能低至0.07~0.16,磨损率低至(3.85~6.71)×10^(-7) mm^(3)/(N·m);电化学测试得到DLC涂层自腐蚀电流密度为6.72×10^(-6 )A·cm^(-2),阻抗模值高达7.05×10~4Ω·cm^(-2)。这些表明PECVD技术制备的DLC涂层具有优异的摩擦学与耐腐蚀性能,能够对316L不锈钢基底材料形成较好的保护性能。