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。

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.

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.