沉积参数对含氢非晶碳膜结构及性能的影响

本文利用射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)技术,以CH4、H2为气源,Ar为稀释气体,通过增加过渡层和改变输入功率和气体成分比例(CH4/H2),在不锈钢基底上制备了含氢非晶碳膜(a-C:H)。利用拉曼光谱(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)、纳米显微硬度计和摩擦磨损试验机等研究手段对含氢非晶碳膜的形貌、结构、显微硬度和耐磨性进行了表征。Ramas光谱和XPS分析表明,薄膜是由sp2和sp3杂化组成的非晶碳膜。显微硬度和摩擦学测试表明,在较低射频功率和富氢等离子体中沉积的a-C:H膜表面光滑、结构致密,薄膜的硬度、摩擦系数、耐磨性和结合力等性能较好。

PMMA基底含氢非晶碳膜的结构和摩擦学性能

分别用磁控溅射和等离子体增强化学气相沉积方法在PMMA基底上沉积硅膜和含氢非晶碳(a-C:H)膜.用氩离子溅射硅靶制备硅膜,以甲烷和氢气为反应气体在不同自偏压下制备非晶碳膜.分别用原子力显微镜、X射线光电子能谱和紫外拉曼光谱表征薄膜的形貌和结构,并分别用纳米压痕仪和栓盘摩擦磨损试验机测试其机械和摩擦学性能.结果表明,沉积碳膜的PMMA基底呈现出高硬度、低摩擦系数和低磨损率的特性.碳膜的显微结构、机械和摩擦学特性均显著依赖薄膜沉积过程中使用的自偏压,其摩擦系数和磨损率与其硬度和sp^3含量密切相关.

自偏压对含氢非晶碳膜光学特性的影响

利用射频等离子体增强化学气相沉积(RF PECVD)方法,以CH4、Ar和H2为气源,在CR-39树脂材料上制备出了含氢非晶碳膜(a-C∶H膜)。研究了不同偏压对a-C∶H膜生长过程和光学特性的影响。使用激光拉曼光谱(Raman)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)对样品的结构和成分进行了表征,分别使用纳米压痕仪和紫外一可见光分光光度计测试了样品的机械和光学特性。结果表明,自偏压对a-C:H膜的生长具有重要影响。随着自偏压的升高,所沉积a-C∶H膜中的sp3含量降低,薄膜的硬度和光学透过率也下降。

射频PECVD方法生长含氢非晶碳膜的结构及摩擦学性能

利用射频等离子体增强化学气相沉积技术在不锈钢表面制备了含氢非晶碳膜.采用Raman光谱、红外光谱、X射线光电子能谱和原子力显微镜等研究了薄膜的微观结构和表面形貌,在栓盘摩擦磨损试验机上考察了薄膜在不同载荷与滑动速度下的摩擦学性能.结果表明:所制备的含氢非晶碳膜具有典型的类金刚石结构特征,薄膜均匀、致密,表面粗糙度小;薄膜与不锈钢球对磨时显示出良好的抗磨减摩性能;薄膜的抗磨减摩性能同对磨件表面上形成的转移膜以及摩擦过程中薄膜结构的石墨化相关.

过渡层对含氢非晶碳膜生长的影响

本文利用射频等离子体增强化学气相沉积(RF PECVD)工艺在不锈钢基底上制备了含氢非晶碳膜(a-C∶H膜)。在沉积碳膜之前,首先在基底表面预先沉积了Ti/TiC、Ti/TiN和Ti/TiN/TiC等过渡层以提高膜基结合力。利用激光Raman光谱分析了过渡层对a-C∶H膜生长过程及膜中sp3含量的影响。实验结果表明,采用Ti/TiN/TiC过渡层时所制备的a-C∶H膜中sp3含量最多,同时膜基结合力最大。

含氢非晶碳膜(a-C:H)红外光学特性的研究

采用端部霍尔离子源在硅基底上制备了含氢非晶碳膜(a-C:H),并测量了4 000～1 500 cm-1的红外透射光谱。基于单层薄膜的透射关系,获得了仅有六个拟合参数的光学常数计算模型。利用该模型,可以同时获得薄膜在宽波段范围内的光学常数和厚度:折射率的最大值为1.94,消光系数的最大值为0.014 9,拟合薄膜厚度为617 nm。

液氮激冷对含氢非晶碳膜性能的影响

采用等离子增强化学气相沉积系统制备了含氢非晶碳膜.加热到相应温度(200、250、300、350和400℃)后,对薄膜进行液氮激冷处理,并研究其结构、机械及摩擦性能的变化.结果表明:薄膜硬度在200~300℃温度下液氮激冷后,其硬度随热处理温度增加,C-C sp^2键逐渐增加;在350~400℃温度下液氮激冷处理后,薄膜的硬度逐渐减小,薄膜呈石墨化趋势;而其弹性恢复在整个处理过程(200~400℃)中随温度升高持续增大,和C-C sp^2键变化趋势一致.液氮激冷处理后,含氢非晶碳膜的摩擦系数及磨损量均得到改善,在300℃激冷处理的含氢非晶碳膜具备最低的摩擦系数及磨损量.

PECVD参数对含氢非晶碳刻蚀特性的影响研究

分析了射频等离子体增强化学气相淀积(RFPECVD)参数对含氢非晶碳(α-C∶H)刻蚀特性的影响规律。首先,针对射频功率、丙烯流量、反应腔压强、极板间距等工艺参数对膜层刻蚀特性的影响进行了实验,并通过确定性筛选设计方法产生实验矩阵。然后,采用RFPECVD工艺在硅衬底上淀积α-C∶H。最后,运用多元回归方法对刻蚀速率、刻蚀均匀性进行了研究。结果表明,淀积工艺参数的变化对膜层的均匀性没有影响,对膜层的刻蚀速率有影响。该工艺参数对刻蚀特性的影响研究对优化CVD工艺具有参考价值。

沉积温度对中频磁控溅射制备含氢非晶碳膜表面形貌和力学性能的影响

作为红外窗口的保护层,含氢非晶碳膜(a-C:H)是薄膜材料研究的热点。本文利用中频非平衡磁控溅射技术,以氩气和甲烷混合气体为工作气体,在单晶硅片上沉积含氢的a-C:H膜。改变沉积温度,制备常温和加温到80℃、120℃、150℃四种不同的溅射温度下沉积的a-C:H膜,发现薄膜的表面形貌、纳米硬度与沉积温度的变化不是成简单的线性关系。用Raman和FITR分析了引起a-C:H膜表面形貌和力学性能变化的原因。结果表明,Raman和FITR分析表明基体温度为80℃以上沉积的膜中化学结构是以sp2键和C-H键非刚性键约束的聚合物结构为主,不能形成三维网络结构,对硬度的贡献几乎为零,所以硬度最低;常温时沉积,薄膜中含氢量低,正四面体的sp3结构增加,薄膜的硬度和弹性都增大。

摩擦偶件材料对非晶含氢碳薄膜摩擦学性能的影响

利用等离子体增强化学气相沉积技术在单晶硅基底上制备了非晶含氢碳薄膜;采用Raman光谱仪、红外光谱仪和原子力显微镜等研究了碳膜的微观结构和表面形貌;采用UMT-2MT型摩擦磨损试验机考察了摩擦偶件材料对碳膜摩擦学性能的影响,并探讨了其磨损机制.结果表明:所制备的非晶含氢碳膜均匀、致密,硬度较高;当碳膜同高硬度陶瓷材料配副时,其摩擦系数低而稳定,薄膜呈现轻微擦伤和剥落磨损特征;当碳膜同低硬度的金属材料配副时,其摩擦系数高且不稳定,薄膜呈现严重粘着和磨粒磨损特征.薄膜的摩擦磨损行为同薄膜和摩擦偶件之间的相互转移有关.

非晶含氢碳薄膜摩擦与抗擦伤性能的实验研究

用射频等离子体增强化学气相沉积法在钛合金表面制备了非晶含氢碳 (a- C∶ H)薄膜 ,利用原子力显微镜、纳米力学探针、划痕仪以及滑动摩擦和微动摩擦试验仪器等研究了其表面形貌、粗糙度、硬度和摩擦性能 ,分析了薄膜的表面粗糙度、硬度及载荷对摩擦系数的影响 .结果表明 :随着薄膜厚度的增加 ,硬度略有提高 ,划痕临界载荷明显提高 ,而表面粗糙度先增加后降低 ,最后趋于稳定 ;室温空气中的滑动摩擦系数随硬度的增大以及表面粗糙度和载荷的减小而降低 ;在微动摩擦试验中 ,随相对湿度增加 ,摩擦系数降低 ,这有利于其在体液环境中的应用 ;薄膜具有良好的耐磨性能 ,经 5 0 0

非晶含氢碳薄膜本征结构对退火行为的影响

目的为在高温工况下服役的含氢碳(a–C:H)薄膜的制备提供新思路。方法首先利用DP–PECVD和BiP–PECVD两种方法分别在Si基底上制备了两种本征结构不同的a–C:H薄膜,分别在350、450、550、650℃下进行退火处理。通过纳米硬度、X射线光电子能谱、傅里叶转变红外光谱、激光共聚焦拉曼光谱、场发射扫描电镜及CSM摩擦试验机等,分别评价了未退火和不同退火温度下两种不同结构a–C:H薄膜的结构、表面形貌、力学及摩擦学等性能。研究了不同本征结构a–C:H薄膜对退火行为的影响。结果DP–PECVD方法在制备a–C:H薄膜(A薄膜)的过程中具有更高的沉积速率,是BiP–PECVD法(B薄膜)的1.52倍。随着退火温度的增加,两种方法制备的a–C:H薄膜均发生H脱附,但是A薄膜的脱H转变点为450℃,B薄膜的脱H转变点为350℃。DP–PECVD法制备的a–C:H薄膜在H脱附过程中更容易形成sp^(3)–C,而BiP–PECVD法制备的a–C:H薄膜在此过程中形成sp^(3)–C和sp2–C杂化键的概率基本相同。BiP–PECVD法制备的a–C:H薄膜在退火过程中更容易失去H,且在450℃以上出现大面积剥离,摩擦失效。而DP–PECVD法制备的碳薄膜则表现出更好的热和摩擦学稳定性,在350~650℃均可保持薄膜的完整性,并且在350~550℃退火后保持低至约0.06的摩擦因数。结论DP–PECVD方法制备的a–C:H薄膜具有更好的热稳定性、力学稳定性及摩擦学稳定性。

转移膜的形成对含氢碳膜超低摩擦性能的影响

含氢非晶碳膜在惰性气氛下展现了超低摩擦性能,摩擦系数可达到10^(–3)数量级.本文中通过试验设计验证了转移膜的形成是碳膜超低摩擦性能获得的必要条件.采用含氢非晶碳膜(a-C:H)与钢作为摩擦配副,球盘接触旋转运动,更换接触方式:一种是钢球与镀a-C:H薄膜的钢平板对摩,另一种是镀a-C:H薄膜钢球与钢平板对摩.保持配副材料不变,利用接触方式的差异,来改变转移膜形成的难易程度.第一种方式下,a-C:H可以转移到对偶形成均匀的转移膜,具有超低摩擦性能;在第二种方式下,a-C:H不能转移到对偶形成转移膜,摩擦系数高.而该转移膜是一种含氢的,以sp^2杂化为主的碳结构.氢能够参与钝化碳悬键,从而保证低化学作用活性,sp^2平面分子结构可以具有较低的剪切强度.因此,转移膜的形成和氢的钝化作用对a-C:H薄膜超低摩擦机理均具有重要的贡献.

含氢四面体非晶碳膜的制备与结构及力学性能

采用化学气相沉积法制备具有优异力学性能的含氢四面体非晶碳膜有望满足工业应用的要求。通过自主设计的等离子体增强化学气相沉积实验系统制备含氢四面体非晶碳膜,并对其微观结构与力学性能进行研究。随着偏压从-200 V增加到-500 V,薄膜硬度和弹性模量先增加后减少,最大达到34.0 GPa和282.0 GPa。压应力随着偏压的变化表现出相同的变化趋势。与传统等离子体增强化学气相沉积方法相比,自主设计的等离子体增强化学气相沉积系统制备的碳膜硬度和弹性模量明显提升,碳膜sp3含量(摩尔分数)超过62.3%,制备出的碳膜具有典型的含氢四面体非晶碳膜特征,而非含氢碳膜,主要是由于水冷射频双螺旋电极与平板电极结合增强了粒子的轰击和离化率,提高了薄膜sp3含量。这为在工业中应用制备高硬度和弹性模量的含氢四面体非晶碳膜提供了可能。

催化超滑:金催化作用下非晶含氢碳薄膜的工程超滑

摩擦磨损是导致机械系统高能耗和失效的主要原因,降低摩擦系数、减小磨损,特别是实现超滑(超低摩擦,μ<0.01)是解决上述困窘的有效方法.本文针对在工程尺度难以实现超滑应用的技术壁垒,将催化与摩擦学相结合,提出了金催化非晶含氢碳薄膜原位生成石墨烯纳米带实现工程超滑的新方法,即"催化超滑".本文采用等离子体化学气相沉积法(PECVD)和化学溶液镀膜法分别制备了所需非晶含氢碳薄膜和镀金钢球,以非晶含氢碳薄膜/镀金钢球构成滑动摩擦副,并进一步研究了其摩擦学行为.结果表明,与非晶含氢碳薄膜/轴承钢球摩擦副相比,含氢碳薄膜/镀金钢球摩擦副摩擦系数低至0.008,仅是含氢碳薄膜/轴承钢球摩擦副的25%左右;磨损深度仅为含氢碳薄膜/轴承钢球摩擦副的31%左右.这是因为摩擦过程中金在摩擦热和剪切力的作用下,原位催化诱导非晶碳发生向石墨烯的转变,石墨烯有序的结构利于形成非公度接触,可有效减小界面剪切力从而降低摩擦系数."催化超滑"的新方法在宏观尺度上实现了超滑,为解决超滑工程应用难的问题提供了新的思路.