类金刚石碳膜的摩擦学特性及其研究进展

从类金刚石碳膜作为耐磨涂层的角度出发 ,综述了近年来国际上关于类金刚石碳膜摩擦学特性的大量研究 ,着重讨论了影响类金刚石碳膜摩擦学特性的主要工艺参数和因素 ,阐明了类金刚石碳膜与金刚石膜在性能上的差异 ,指出了类金刚石碳膜的发展现状和趋势 .

类金刚石碳膜的制备工艺

用射频 -直流等离子体化学气相沉积法制备出类金刚石膜 ,用多因素和单因素正交试验设计方法对类金刚石膜的沉积工艺进行了研究。结果表明 ,极板偏压、真空度和气体成分是影响膜沉积速率的主要因素。沉积速率与 PV成正比 ,且随反应气体浓度单调增加 ,但当 C2 H2 浓度低于 10 %时 ,几乎不能成膜。

钛离子注入类金刚石碳膜的结构与性能的研究

使用金属离子注入的方法制备了 Ti掺杂的DLC膜。采用原子力显微镜观察了薄膜的表面形貌,Ti掺杂后 DLC 膜的表面粗糙度明显减小,表面光洁度增加,颗粒细化。拉曼光谱分析表明实验获得的薄膜是典型的DLC膜,掺杂Ti后的 DLC膜的拉曼光谱存在明显的肩峰,DLC膜化学结构中的sp2 组分增加,sp3 组分减少。透射电子显微镜分析表明Ti注入后有TiC纳米晶形成。掺入Ti的 DLC膜的硬度从 14GPa增加到 20GPa。Ti 掺杂后的 DLC 膜的摩擦系数(0.15)明显低于未掺杂的DLC膜的摩擦系数(0.21),Ti离子注入有助于提高薄膜的抗磨损性。

类金刚石碳膜的摩擦学性能及摩擦机制

类金刚石碳膜作为低摩擦系数的固体润滑耐磨层越来越受到重视 ,但其摩擦学行为强烈地依赖于试验条件和膜的本质 ,而膜的本质又依赖于制备工艺。本文概述了不同工艺方法制备的类金刚石碳膜的摩擦学性能 ,介绍了气氛、湿度、载荷及滑动速度等试验条件对其摩擦学行为的影响 。

真空阴极弧离子镀类金刚石碳膜

采用真空阴极弧离子镀的方法，以乙炔和氢气分别作工作介质，以氩气为稀释气体，研究了类金刚石碳（ＤＬＣ）膜的制备工艺及其结构和硬度．喇曼光谱分析表明，所得膜为典型的ＤＬＣ膜，表现为一个波数在１３００～１７００ｃｍ－１的宽峰，工艺不同，喇曼光谱曲线的形状也略有变化．ＳＥＭ分析表明所得ＤＬＣ膜结构致密光滑．纳米探头硬度表明，ＤＬＣ膜表面硬度均高于１０ＧＰａ．

全方位离子注入与沉积类金刚石碳膜的结构与性能

用等离子体浸没离子注入与沉积(PIIID)复合强化新技术在AISI440C不锈钢表面制备了类金刚石(DLC)碳膜。膜层表面的原子力显微镜(AFM)形貌显示出DLC膜结构致密均匀。Raman光谱分析结果表明,制备的DLC主要是由金刚石键(sp3)和石墨键(sp2)组成的混合无定形碳膜,且sp3键含量大于10%。以纯石墨棒做阴极,C2H2为工作气体条件下合成的DLC薄膜中,sp3键含量总体上较单纯用石墨作阴极而无工作气体条件下合成的DLC薄膜中sp3键含量高。与基体相比,薄膜试样的显微硬度和摩擦磨损性能均得到了较大改善,最大硬度提高88.7%,磨损寿命延长超过4倍。

类金刚石碳膜的热稳定性

总结了各种DLC膜的热稳定性及分析手段 ,概述了加热退火情况下DLC膜结构、内应力的变化 ,评述了国内外的最新研究进展 。

含氢类金刚石碳膜的拉曼光谱洛伦兹分解

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a-C:H膜,利用激光Raman光谱表征所沉积碳膜的微观结构,特别是通过对拉曼谱图进行洛伦兹分解来评价所沉积碳膜的sp3含量,分析了沉积电压和过渡层对a-C:H膜生长过程及膜中sp3含量的影响.结果表明,利用拉曼光谱的洛伦兹分解能够有效分析a-C:H的结构特性,碳膜沉积过程中沉积电压和过渡层对a-C:H膜的生长均具有重要影响.在本实验条件下,以Ti/TiN/TiC为过渡层沉积电压为2500 V时所制备的a-C:H膜中的sp3含量最高.

类石墨碳膜的制备及其与类金刚石碳膜的区分

类金刚石碳膜的碳键结构一般以sp3为主,用离子束辅助磁控溅射制备了以sp2为主的非晶碳膜,即类石墨碳膜.分析类石墨碳膜的成分、组织结构,并通过这些结果区分类石墨碳膜与类金刚石碳膜.采用卢瑟福背散射谱(RBS)、x射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、x射线光电子谱(XPS)、四点探针法(FPM)分析了成分、组织结构及电阻率,结果表明:制备碳膜的晶体结构是非晶,碳键结构以sp2为主,电阻率在10-4～10-2 Ω·(m之间.证明这种非晶碳膜不同于类金刚石碳膜(sp3为主).

钛合金表面液相电解类金刚石碳膜的摩擦磨损性能

采用液相电解法在钛合金表面制备了类金刚石碳(DLC)膜,利用拉曼光谱仪和傅立叶红外光谱仪表征了DLC薄膜的结构,考察了其机械及摩擦磨损性能,并通过划痕试验测定了类金刚石碳膜与钛合金基体之间的临界剥离载荷.结果表明:所制备的类金刚石碳膜的摩擦系数较低,其摩擦系数随着载荷的增加而略有降低;抗磨性能则随着载荷的增加而变差;类金刚石碳膜与钛合金基体之间的临界剥离载荷为0.882N.

类金刚石碳膜和氮化钛的摩擦学性能研究

报道了在相同条件下用磁控溅射方法在硅片上制备类金刚石膜和氮化钛薄膜的研究结果,比较了两种镀膜在机械性能和结构上的效果.实验结果表明,氮化钛薄膜虽有很高的表面硬度,但其摩擦系数、表面粗糟度比类金刚石膜要高得多.而类金刚石膜虽有很低的摩擦系数和光滑的表面,但表面硬度比氮化钛薄膜小.因此,结合两种膜的优点有可能制备高硬度、耐磨性强、表面光滑的新型复合材料.

类金刚石碳膜在纳米划擦过程中的弹-塑性变形及断裂机制分析

利用纳米划痕仪研究了Ｔｉ合金表面类金刚石薄膜在划擦过程中的弹塑性变形和裂纹形成微观机制．结果表明：试样在划擦过程经历了薄膜变形、薄膜与基体共同变形和薄膜剥离３个阶段，对应的Ｐ—Ｄ曲线分别在划擦前后无变化、出现分离和急剧变化．在第三阶段中塑性变形量超过弹性变形量，在薄膜内部产生裂纹，薄膜与基体变形恢复不同步，薄膜发生剥落．因此，提高薄膜划擦抗力的有效途径是增强膜基的结合强度和提高薄膜的断裂韧性．

真空阴极弧离子镀类金刚石碳膜Raman光谱研究

分别采用带有和不带有弯曲弧磁过滤器的真空阴极弧离子镀方法,在不同镀膜电流以及不同基片偏流下分别制备了类金刚石碳膜,对比了不同结构下类金刚石碳膜的Raman光谱特点。对其Raman光谱的D峰和G峰采用Gaussian-Lorentzion的几率分布进行了分峰,并着重讨论了基片偏流、弯曲磁场等沉积参数对膜结构的影响。结果表明,氩分压对膜结构影响不大,较大的偏流以及弯曲磁场的加入均有利于sp^3杂化碳键的形成。

类金刚石碳膜热稳定性的研究

研究了退火对类金刚石碳膜结构和性能的影响.结果表明:低于400℃退火对膜的结构、电阻率、硬度无明显影响;高于400℃退火,由于膜中氢原子的逸出,非晶碳将转变为石墨微晶,从而导致电阻率急剧下降;在400～700℃温度范围退火后,膜的硬度仍无明显变化.

边缘修形织构化N、Si共掺杂类金刚石碳膜在空气中的摩擦磨损性能

采用激光加工和抛光方法,在镜面抛光的4Cr13不锈钢基板上制备了凸起面积密度分别为35%、44%和58%的边缘未修形和边缘经圆滑修形处理的圆柱凸起织构,并采用溅射和射频化学气相法在织构表面沉积N、Si共掺杂类金刚石碳(N-Si-DLC)膜;采用球-盘式往复摩擦磨损试验机研究了边缘未修形和边缘修形的凸起织构化N-Si-DLC膜与316L不锈钢球在不同相对湿度(RH=15%,45%,75%)空气中的摩擦磨损性能;同时,基于有限元法分析了稳定摩擦阶段静态接触应力的分布情况.结果表明:边缘修形织构化N-Si-DLC膜的摩擦系数和磨损率均显著低于边缘未修形织构化N-Si-DLC膜,边缘修形效果与织构凸起面积密度有关,并影响织构的摩擦磨损性能;凸起面积密度为44%的边缘修形织构化DLC膜的减摩耐磨效果最佳;织构化DLC膜的摩擦磨损性能与织构边缘的最大接触应力密切相关,采用边缘修形可以大幅减小凸起织构边缘的最大接触应力,从而达到减摩耐磨的效果.

射频辉光放电自偏压对类金刚石碳膜结构和性能的影响

采用高压探头示波器系统研究了射频辉光放电参数对自偏压的影响规律.结果发现自偏压随着射频功率平方根而线性增加,随纯Ar和Ar,C2H2混合气体气压的降低而降低,自偏压随C2H2的比率增大而增加,而且,射频输入功率在500和700 W下,由射频辉光放电所制备的类金刚石薄膜分别通过Raman光谱和纳米压痕技术测试,研究了这些薄膜的微观结构和机械性能.功率500 W制备的类金刚石薄膜(ID/IG为0.66)较700W制备的类金刚石薄膜(ID/IG为1.44)具有较高的硬度和sp3键含量,表明在500 W功率下制备的类金刚石薄膜中有高含量的sp3键.

类金刚石碳膜的结构特性与耐磨性能

采用双离子束增强沉积（IBED）和离子束直接沉积（IBD）技术，在CHn+能量为200~550eV和3～25keV范围内沉积的类金刚石薄膜具有光滑平坦的表面和非晶结构。X光电子谱和Raman光谱分析、以及显微硬度测量的结果表明，随着轰击离子能量的降低，薄膜的金刚石特性增强；在200～550eV能量范围内制备的DLC膜具有明显的sp3键特征和很高的显微硬度。沉积在GCr15钢上的DLC膜与GCr15钢的摩擦学对比实验表明，DLC膜具有很低的摩擦系数、比磨损率和高的抗磨损指数，这证明采用上述两种方法制备的DLC膜具有优良的抗摩擦磨损性能。

非平衡磁控溅射类金刚石碳膜的性能

用非平衡磁控溅射的方法在室温下制备了光滑、均匀、致密的类金刚石(DLC)薄膜,分析和研究了DLC膜的形貌、结构和摩擦特性.结果表明,靶工作电流对DLC膜的沉积有重要的影响.随着工作电流的增大,薄膜的沉积速率增大,薄膜中sp^3键的含量增加.薄膜的摩擦系数随着工作电流的增加略有增大,在摩擦的初始阶段,摩擦系数较高,随着摩擦循环次数的增加,摩擦系数逐渐减小,并逐渐趋于稳定。

PMMA树脂义齿表面沉积类金刚石碳膜改善耐磨性的研究

目的 在PMMA树脂义齿表面沉积类金刚石碳(DLC)膜改善义齿的耐磨性能。方法 采用真空阴极镀膜方法在PMMA树脂及义齿表面沉积DLC膜,应用光电子能谱仪及喇曼光谱仪确定为DLC膜,通过沉积DLC膜及未沉积DLC膜树脂样品的显微硬度测试、耐磨试验及耐磨试验前后磨痕宽度的测定,观察结果进行统计学处理。结果 镀膜与未镀膜PMMA树脂试件显微硬度、磨痕宽度经统计学检验差异有显著性,经显微观察镀膜后PMMA树脂试件磨痕浅而窄,未镀膜试件磨痕深而宽。结论 PMMA树脂义齿表面沉积DLC膜能显著改善耐磨性。

等离子体化学气相沉积类金刚石碳膜的特性及应用

类金刚石(DLC)膜是含有sp3杂化态的亚稳态非晶碳膜,是具有极高的硬度、化学稳定性和光学透明性的半导体材料。这篇综述介绍了用等离子体化学气相沉积DLC膜的沉积方法、所制备薄膜的特性及应用,最后展望了DLC膜的发展趋势。