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。

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。

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。

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。

等离子体增强化学气相沉积法制备类金刚石薄膜研究综述

类金刚石薄膜由于其独特的物理化学特性,使得该薄膜在光学、电学、机械、医学、航空航天等领域得到了广泛应用。等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)制备类金刚石是近几十年兴起的新的制备类金刚石薄膜的方法,因其对沉积温度要求低,对基底友好,同时还具有沉积速率快和无转移生长的优势,获得了越来越多的研究者关注。详细介绍了类金刚石薄膜优异的特性,阐述了在等离子化学气相沉积条件下,不同沉积条件对沉积类金刚石薄膜结构特性的影响。衬底的选择直接影响着沉积类金刚石薄膜的性能,不同的衬底直接决定着生成类金刚石结构中sp^(3)相的数量和质量;沉积参数是最为常见的控制条件,对沉积薄膜的总体效果影响也是最大的,改变沉积参数,沉积薄膜的表面将会变得更加光滑致密;常用的掺杂元素是硅和氮,掺杂元素的引入往往是为了降低沉积薄膜的内应力,提高与衬底间的结合力,延长使用寿命等;由于很难直接在金属上沉积类金刚石薄膜,所以常通过制备复合层来改善沉积效果。最后对类金刚石薄膜的发展以及今后研究方向进行了展望。

厚类金刚石膜研究进展

类金刚石膜是一种由sp3和sp2混合的亚稳态碳膜。因其良好的力学性能、较低的摩擦系数、优异的抗磨损性能,在石油、航空航天、汽车零部件、医学和光学领域被广泛应用。但因类金刚石膜中存在大的内应力,类金刚石膜的厚度受到限制,而在摩擦磨损过程中很易被损坏,极大限制了类金刚石膜在某些领域的应用。概述了类金刚石膜的组织特点、主要制备方法。同时归纳了厚类金刚石膜的研究现状及降低DLC涂层内应力方面的研究进展,并对目前研究成果中存在的问题进行了总结。

类金刚石纤维砂轮的开发及其磨削特性

为了获得高精度加工表面,最近磨具市场上有一种Al2O3纤维砂轮问世。该砂轮克服了磨粒砂轮中磨粒易于脱落的缺点,但其硬度仍受到一定限制。近十年来,由于类金刚石薄膜具有接近金刚石的硬度、高耐磨性和很低的摩擦系数等优良的机械、物理、化学和光电特性,因而被广泛地应用于精密零部件和涂附刃具的制造。如果能将类金刚石薄膜形成类金刚石纤维,然后将其代替Al2O3纤维作为磨料,就可以满足纤维砂轮的硬度要求。因此,1999年以来,日本山口胜美教授和中国魏源迁教授成功地将类金刚石纤维植入基体并与树脂结合剂结合,开发了一种类金刚石纤维砂轮。该砂轮中的类金刚石纤维按同一方向排列且与砂轮磨削面相垂直,纤维的端部可用作为切削刃。为了考察这种新型砂轮的磨削特性,本文作者对难加工材料如模具钢SKD11及硬脆材料如硅片、光学玻璃、石英和大理石进行了大量的磨削试验。试验结果表明能获得纳米级加工表面,例如被磨硅片和模具钢的表面粗糙度分别为Ra2nm(Ry15nm)和Ra2nm(Ry23nm)。

橡胶/类金刚石复合材料界面结合及摩擦性能研究进展

综述了橡胶表面沉积DLC薄膜的主要制备技术,包括磁控溅射法和等离子体化学气相沉积法。概括了橡胶/DLC复合材料的表面形貌特性,尤其是温差对表面斑块结构的影响机制。重点介绍了X切割法、划痕法及拉伸法为主的橡胶/DLC复合材料界面结合力的评估方法,分析了基体表面等离子体处理、添加过渡层及异质元素掺杂DLC薄膜对提升橡胶与DLC薄膜结合力的影响。此外,以刚性球为摩擦配副,阐述了橡胶/DLC复合材料的摩擦性能测试方法。基于橡胶的黏弹特性,探讨了橡胶/DLC复合材料的摩擦行为,并归纳了Maxwell模型、Voigt模型、双Voigt模型和SLS模型的特点和局限性。最后,围绕目前橡胶表面DLC薄膜耐磨改性工作中存在的问题和挑战,探讨和展望了未来的研究方向。

过渡层对TC4钛合金基类金刚石多层薄膜磨损特性的影响

在钛合金(TC4)表面制备类金刚石(DLC)薄膜是提高其耐磨损性能和使用寿命的一种有效方法。本文采用磁过滤阴极弧源技术在钛合金表面上制备软硬相间的类金刚石多层薄膜、Ti和Ti/TiC过渡层组成的类金刚石多层薄膜。利用光学显微镜和扫描电镜分析多层膜表面外观形态,并使用台阶仪、纳米压痕仪、摩擦实验机等分析多层膜的残余应力、纳米硬度、膜基结合力和摩擦磨损特性。研究结果表明:DLC多层薄膜的残余应力均低于单层DLC薄膜,残余应力从12.63 GPa降低到6.21 GPa,增加Ti/TiC过渡层的DLC多层薄膜的残余应力最小。压痕结合力研究结果表明,加入Ti/TiC过渡层的DLC多层薄膜的结合状况得到了显著提高。Ti/TiC过渡层构成的类金刚石多层薄膜,有较大的硬度和良好减摩耐磨性能。试验结果将为TC4钛合金基体上制备硬质耐磨损DLC多层薄膜提供技术方案和理论依据。

10m长管道内壁类金刚石薄膜沉积及性能

工业生产过程中管道内壁经常受到输送物质的腐蚀和磨损,对管道内壁进行涂层防护十分必要,而目前鲜有在大长径比管道内壁镀膜的报道,且缺乏对大长径比管道内壁膜层性能的研究。采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术在直径100 mm、长10 m管道内壁沉积类金刚石(DLC)薄膜,并研究管道内工作气体的等离子体放电辉光光谱、膜层表面亮度、水静态接触角、硬度、摩擦因数和拉曼光谱等。结果表明:管道内等离子体光谱显示管内等离子体中有Ar^(+)和乙炔分解成的C_(2)、H和CH;膜层表面的亮度L*最高达到37.4和色差ΔE^(*)最大1.9,膜层拉曼光谱结果表明靠近管道两端和中间位置膜层的I_(D)/I_(G)均匀,膜层水静态接触角显示靠近管道两端的膜层接触角略小;靠近管道两端膜层硬度相比中间位置的膜层硬度高,并且磨损测试中膜层均未出现破损剥落,膜层具有高的耐磨性。试验实现了在大长径比的管道内壁沉积耐磨损的DLC膜层,为长管道内壁均匀镀膜提供了理论支持和技术指导。

X80管线钢表面掺氟类金刚石薄膜在完井液中的腐蚀行为研究

采用等离子体增强化学气相沉积技术在X80管线钢表面制备掺氟类金刚石薄膜,使用原子力显微镜对薄膜表面三维形貌进行表征。通过划痕实验和摩擦磨损实验对薄膜的机械性能进行表征,利用电化学阻抗谱与动电位极化曲线对薄膜在完井液环境下的腐蚀行为进行分析。结果表明:随着掺氟量的增加,薄膜表面粗糙度增大,薄膜与基体的结合强度提高,耐磨性能降低。薄膜的耐蚀性能随着掺氟量的增加表现出先增大后减小的变化规律。