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.

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。

类金刚石薄膜的残余应力调控研究进展

类金刚石薄膜(Diamond-like carbon,DLC)由于其优异的性能而在诸多领域显示出广阔的应用前景。然而,DLC薄膜中存在的高残余应力,削弱了膜基结合力,导致薄膜开裂或剥落,严重限制了其使用寿命和可靠性,成为DLC薄膜研究领域中亟需解决的关键问题之一,也是基于实际应用的紧迫需求。介绍了DLC薄膜应力产生的来源,并结合国内外研究现状从元素掺杂、过渡层和工艺调控3个方面分别综述了应力调控方面的试验和理论研究进展。结果表明,元素掺杂主要是通过降低薄膜中扭曲的C-C键长和C-C-C键角的百分比含量以及缓和键长、键角的扭曲程度来降低薄膜残余应力;添加过渡层主要通过缓解DLC薄膜与基体间因热膨胀系数不匹配而引起的内应力,从而达到降低DLC薄膜残余应力的目的;不同工艺参数对残余应力的影响较为复杂,且参数的不同组合可能会导致不同的残余应力状态。以上DLC薄膜应力来源、调控方法和机理的研究将为高质量DLC薄膜的设计和制备提供理论依据。

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。

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。

CoCrMo合金表面掺金属类金刚石薄膜的摩擦学性能

采用非平衡磁控溅射结合阳极型气体离子源技术在CoCrMo合金表面制备掺钨类金刚石薄膜(WDLC)和掺钛类金刚石薄膜(Ti-DLC)。利用努氏显微硬度计、结合力划痕仪、摩擦磨损试验机、表面形貌仪和洛氏硬度计表征膜层的力学性能,并用扫描电镜分析磨损形貌,探讨薄膜磨损机理。结果表明:所制备的2种薄膜均具有典型的DLC薄膜特征,W-DLC薄膜的硬度、结合力和摩擦磨损性能均优于Ti-DLC薄膜,更适合于CoCrMo合金的表面强化处理;CoCrMo合金的磨损机制主要为粘着磨损和磨粒磨损,而Ti-DLC/CoCrMo和W-DLC/CoCrMo的磨损机制以滑动磨损为主伴随极少量的磨粒磨损;经DLC薄膜处理,摩擦因数从CoCrMo合金的0.578降低到0.2以下,磨损率也降低了2个数量级,大幅度地提高了CoCrMo合金的摩擦磨损性能。

类金刚石薄膜摩擦机理及其摩擦学性能影响因素的研究现状

类金刚石薄膜(DLC)具有十分优异的减摩耐磨性能,是一种极具发展潜力的固体润滑材料。但其摩擦学性能受到很多因素的影响,这些因素主要可以分为两大类:固有因素和外在因素。在不同的固有因素和外界因素影响下DLC薄膜的摩擦学性能会产生较大差异,这大大制约了人们对其摩擦学行为及摩擦机理的认识,限制了其应用范围的扩展。总结了目前有关DLC薄膜摩擦机理的三种理论,即转移膜理论、滑行界面石墨化理论和化学吸附钝化悬键理论,并在此基础上概括分析了各固有因素和外界因素对DLC薄膜摩擦学性能的影响及其机理,提出未来可以从基础理论和相关技术两方面对DLC薄膜的摩擦学性能展开深入研究。

涤纶材料表面类金刚石薄膜的沉积及其抗菌性能研究

采用乙炔等离子体浸没离子注入与沉积(PIII D),对医用涤纶(PET)缝合环材料进行表面改性,Raman光谱、X射线光电子能谱(XPS)和衰减全反射傅立叶变换红外光谱(ATR FTIR)的分析结果表明:在涤纶材料表面有效地沉积了一层类金刚石(DLC)薄膜。原子力显微镜(AFM)的图像分析进一步证明表面平均粗糙度从58.9nm降低到11.2nm。细菌粘附实验结果证明沉积了类金刚石薄膜的表面对5种细菌———金黄色葡萄球菌(SA)、表皮葡萄球菌(SE)、大肠杆菌(EC)、绿浓杆菌(PA)和白色念珠菌(CA)的粘附均有明显抑制作用,其中从培养时间为15h的吸附情况比较来看,金黄色葡萄球菌的粘附率降低了70%,表皮葡萄球菌降低了86%。

类金刚石薄膜的摩擦性能及其应用

首先从成键结构的角度分析了DLC薄膜摩擦性能的由来,然后分别从DLC薄膜的沉积工艺(包括制备方法、气源种类和掺杂元素)、摩擦环境条件和基底材料选择等三方面入手,讨论了影响DLC薄膜摩擦性能的主要因素及其影响规律。经过总结发现,通过调节DLC薄膜的沉积工艺可以改变DLC薄膜中sp^2杂化碳的含量以及氢的含量,进而影响DLC薄膜的摩擦性能;真空、惰性气体和低湿环境有利于获得更好的摩擦效果;过渡层和偏压有利于提高DLC薄膜与基底之间的附着力,其摩擦性能也会得到提升。最后对DLC薄膜在机械加工及耐磨器件、光学和电子保护以及生物医学领域的应用进行了综述,并对应用过程中存在的两大问题——DLC薄膜的内应力和热稳定性进行了分析,归纳了一些具体的解决方案,并对DLC薄膜的发展趋势进行了展望。

类金刚石薄膜的摩擦学特性及磨损机制研究进展

类金刚石薄膜已显示了重要的摩擦学应用价值 ,其中化学气相沉积的类金刚石薄膜 (DLC)具有膜层致密、厚度均匀、摩擦学性能优良等特点成为广泛采用的一种沉积方法。本文介绍了气源成分、基体材料、摩擦环境、摩擦对偶、载荷及速度对化学气相沉积制备类金刚石薄膜的摩擦学特性的影响 ,概述了其摩擦磨损机理 ,同时探讨了进一步研究工作的方向。

类金刚石薄膜成分变化对蛋白吸附的影响

采用全方位离子注入离子束增强沉积工艺制备类金刚石薄膜 (DL C) ,再将 DL C进行有氧和低压氩气保护条件下的热处理 ,分别得到富石墨相 DL C和富金刚石相 DL C。通过 X光电子能谱分析了三种 DL C的碳相组成 ,用放射性同位素 1 2 5I标记法 ,测定了恒温条件下人血白蛋白 (HSA)、纤维蛋白原 (HFG)和免疫球蛋白 (Ig G)在 3种 DL C材料表面的吸附量。结果 ,经两种不同的热处理工艺 ,DL C中石墨相和金刚石相分别增加了一倍左右 ;随着石墨、金刚石等杂质相的增加 ,DL C对 HSA的吸附能力下降 ,对 HFG和 Ig G的吸附能力显著提高 ,同时蛋白吸附特性也由原来对 3种蛋白的非特异性吸附 ,转变为对 HFG和 Ig G的优先吸附。这一结果表明 ,石墨和金刚石等杂质相将严重影响 DL C的蛋白吸附性能 ,并进而对 DL C的血液相容性产生负面影响。

基于RFPECVD方法不锈钢上沉积类金刚石薄膜的机械与摩擦特性

讨论用射频等离子体增强化学气相沉积 (RFPECVD)工艺 ,在室温下实现在 1Cr18Ni9Ti不锈钢基底上镀类金刚石(DLC)膜。为提高DLC膜的结合力 ,首先在不锈钢基底上沉积Ti/TiN/TiC功能梯度膜。借助所设计的界面过渡层 ,成功地在不锈钢基底上沉积了一定厚度的DLC膜。通过优化沉积参数 ,所沉积的DLC膜在与 10 0Cr6钢球对磨时摩擦系数低于 0 0 2 0。在摩擦过程中DLC膜的磨损机制借助SEM、Raman分析进行了研究。

液相电沉积类金刚石薄膜的相关物理化学问题

利用液相电沉积技术制备了含氢类金刚石薄膜(ＤＬＣ);讨论了应用电位和沉积碳源对沉积过程和薄膜结构的影响;结果表明有高介电常数、低粘度、分子中甲基基团直接与极性基团键合的有机液体是合适的沉积碳源;通过增加沉积电位将有利于薄膜中ｓｐ３碳的生长;最后,作者提出了液相沉积类金刚石薄膜的反应机理－极化－反应机制,在电场的作用下,有机分子被极化并在电极表面反应生成ＤＬＣ薄膜和其他产物．

类金刚石薄膜的表面纳米划擦性能评价

用射频等离子体增强化学气相沉积在钛合金表面制备了类金刚石薄膜，利用纳米压入仪及其附件研究了薄膜与纳米划擦有关的力学性能．结果表明：随薄膜厚度的增加，其硬度略有增加，但增幅较小，弹性模量没有明显的相应规律；薄膜在划擦过程中，随载荷增加，先后经历薄膜变形、薄膜与基体共同变形及薄膜剥离三个阶段；在薄膜变形阶段，划擦对薄膜的损害较小；当压头进入薄膜一定深度后，划擦后薄膜与基体的变形不同步，造成薄膜沿划痕向两边形成整齐排列的小裂纹，呈鱼骨状；达到临界载荷值时，薄膜在界面处发生脆性剥落；随膜厚增加，薄膜的临界载荷增大，因其残余应力的相应增大而发生大面积脆性剥落．

掺氮类金刚石薄膜的显微结构和光谱学研究

本文利用射频磁控溅射法,以高纯N2、Ar混合气体为溅射气体,用高纯石墨靶在Si(100)基片上制备出掺氮的类金刚石薄膜(DLC∶N)。拉曼光谱(Raman)测试表明该薄膜仍然是类金刚石结构,对其进行拟合后得两个特征峰,分别是在1342.9 cm-1的D峰和1555.3 cm-1的G峰,ID/IG=0.45;X射线光电子能谱(XPS)表明薄膜含氮量为24%,XPS光谱的C1s和N1s的芯能级证实了薄膜中的碳氮进行了化合,形成了C-N、C=N、C≡N,说明薄膜中形成了非晶碳氮结构;傅里叶变换红外透射光谱(FTIR)也表明了薄膜中碳氮进行了化合;扫描电子显微镜(SEM)结果表明,实验所制备的薄膜表面均匀、致密、光滑,从横截面图像观察,薄膜与衬底结合紧密,薄膜的厚度大约为150 nm。

类金刚石薄膜血液相容性与蛋白吸附的关系研究

以金刚石薄膜 ( DF)和石墨为参比材料 ,采用放射性同位素 1 2 5I标记技术 ,研究了人血白蛋白 ( HSA)、纤维蛋白原 ( HFG)和免疫球蛋白 ( Ig G)在类金刚石薄膜 ( DL C)表面单一蛋白的等温吸附和二元蛋白体系的竞争吸附。结果显示 :( 1)随着蛋白浓度的增加 ,三种蛋白在三种材料表面的吸附量增加 ,并趋于吸附平衡 ;( 2 )石墨对三种蛋白的吸附量远高于 DL C和 DF;( 3 ) DL C对 HSA的吸附活性高于 DF,而 DF、石墨对 HFG、Ig G的吸附活性则明显高于 DL C;( 4) DL C对三种蛋白的吸附能力相差不大 ,而 DF和石墨对 HFG、Ig G的吸附量则显著高于 HSA;( 5 )三种蛋白在 DF和石墨表面的相对竞争吸附能力为 HFG>Ig G>HSA,而对于 DL C,这一顺序则为 HFG≈ HSA>Ig G,HFG对 HSA没有表现出明显的竞争吸附优势。这些结果表明 :DL C对三种血浆蛋白的吸附是非特异性的 ,而DF和石墨则不同程度地优先吸附 HFG和 Ig G,从而在分子水平上阐释了 DL C血液相容性好于

医用不锈钢表面沉积类金刚石薄膜的电化学腐蚀性能研究

医用316L不锈钢植入物植入体内后,体内环境可导致其产生腐蚀和Ni离子的析出。利用双放电腔微波等离子体源全方位离子注入设备,采用等离子体源离子注入(plasmasourceionimplantation,PSII)和等离子体增强化学气相沉积(plasmaenhancedchemicalvapordeposi tion,PECVD)复合工艺在医用316L不锈钢表面沉积类金刚石薄膜,进行表面改性,以提高其在模拟体液环境中的腐蚀阻抗。扫描电子显微镜和原子力显微镜观察发现,薄膜由纳米粒子构成,膜层连续光滑。电化学腐蚀测试表明:采用PSII+PECVD复合工艺制备的类金刚石薄膜与316L不锈钢改性体系在(37±1)℃的Troyde’s模拟体液中的自腐蚀电位约为120mV,体系的击穿电位超过1.9V,与基体316L不锈钢相比,其热力学稳定性与抗腐蚀性能得到增强,改性效果优于单独的PECVD工艺。