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.

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。

V掺杂对类金刚石薄膜性能的影响

通过磁控溅射的方法,使用石墨靶、V靶复合拼接靶,以氩气作为辅助气体,成功制备了不同原子分数的V掺杂类金刚石薄膜。采用拉曼光谱仪、电子探针X射线显微分析仪、X射线光电子能谱仪、原子力显微镜、扫描电子显微镜、纳米压痕仪、薄膜应力仪、往复摩擦磨损试验机等设备研究了V掺杂对类金刚石薄膜微观结构、力学性能、摩擦学性能的影响。结果表明,V掺杂提高了类金刚石薄膜的力学性能,当薄膜中V的原子分数为54.28%时,薄膜的硬度和弹性模量分别为14.1 GPa和147.6 GPa。掺杂V后,薄膜中生成了V_(2)O_(5),降低了薄膜的耐磨性能。这主要是因为V促进了sp^(3)杂化C数量的增加,并且在摩擦过程中,薄膜中的sp^(3)杂化C的数量进一步增加,导致其硬度升高,耐磨性能下降。

Cr掺杂及Cr过渡层对类金刚石薄膜附着力的影响

采用线性离子束复合磁控溅射的混合PVD技术制备了含Cr过渡层以及Cr掺杂的DLC薄膜,并测量了其厚度、残余应力、结合力、摩擦因数等性能。划痕测试的结果表明,增加过渡层后薄膜的结合状况得到了明显改善,其残余应力也有所下降,Cr掺杂的DLC薄膜残余压应力最低可达0.23GPa。有关结果为强膜基结合力、低应力、大面积的类金刚石薄膜可控制备提供了新的技术思路。

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。

镁合金表面铬掺杂类金刚石薄膜的制备与性能研究

本文利用阳极层离子束混合磁控溅射技术在AZ31镁合金表面制备了类金刚石涂层(DLC)和Cr掺杂DLC膜(Cr-DLC),并利用Raman光谱、残余应力仪、划痕仪、摩擦磨损仪和电化学工作站等,对薄膜的碳结构、残余应力、结合力、摩擦学性能和耐腐蚀性进行了研究。结果表明:相比纯DLC膜,Cr-DLC膜具有较低的残余应力,较高的膜/基结合力。Cr-DLC膜能显著提高镁合金的抗摩擦磨损性能,但对改善镁合金耐腐蚀性能影响不大。

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。

钛硅多元掺杂类金刚石薄膜在不同气氛环境下的摩擦学性能研究

采用中频磁控溅射技术在单晶硅表面制备了钛硅多元掺杂的含氢类金刚石薄膜.在球-盘摩擦试验机上考察了不同气氛环境对薄膜摩擦学性能的影响.利用扫描电子显微电镜和拉曼光谱分析了磨损表面形貌和转移层结构,探讨了薄膜的摩擦磨损机理.结果表明:薄膜在真空和氮气环境下摩擦系数较小、磨损率低,表现为磨粒磨损;在氧气和高湿度大气环境下摩擦系数较大、磨损率高,表现为黏着磨损;在低湿度空气环境下薄膜摩擦系数最低,表现为磨粒磨损和黏着磨损混合磨损机理;转移层发生摩擦诱导石墨化和聚乙炔链CC键双氢化两种摩擦化学过程.

Ti掺杂及Ti应力缓和层对类金刚石薄膜附着力的影响

研究了Ti掺杂对磁控溅射类金刚石(DLC)薄膜附着力及硬度的影响,同时在Ti掺杂类金刚石(Ti-DLC)薄膜的基础上,通过引入Ti应力缓和层制备了Ti/Ti-DLC/Ti/Ti-DLC……软硬交替多层薄膜,研究了Ti应力缓和层对进一步提高薄膜附着力特性的作用。采用纳米划痕仪和显微硬度计分析测试了薄膜的附着力和硬度。研究表明,金属Ti的掺杂有利于DLC薄膜附着力特性的改善,但对硬度有一定的影响。Ti应力缓和层的导入进一步改善了Ti-DLC薄膜的附着力特性,使其达到或超过了TiN薄膜的水平,对于附着力的改善Ti应力缓和层存在最佳的厚度值。采用特殊的变周期多层结构设计即在应力集中的膜基界面附近采用较小的调制周期,薄膜顶层附近采用较大的调制周期不但可以保持足够的附着力,还可维持Ti-DLC薄膜原有的硬度。

锗掺杂类金刚石薄膜特性研究

为了降低类金刚石（DIE）薄膜的应力，使用脉冲真空电弧离子镀（PVAD）和电子束热蒸发相结合的复合沉积技术，在Si基底上制备了一系列不同锗含量（原子百分比）的Ge-DIE薄膜样片，研究了锗含量对DIE薄膜光学特性和力学特性的影响。研究结果表明：在1-5肿波段，当锗掺杂含量小于25％时，对DIE薄膜光学常数的影响不大；随着Ge含量的增加，DIE薄膜的折射率和消光系数都略微增大。随着DLC薄膜中ce含量的增加，薄膜的内应力和硬度均有所降低。当DLC薄膜中Ge含量约为8％时，Ge-DLC薄膜的内应力从6．3降至3．0GPa，而硬度仅从3875减小为3640kgf/mm2，几乎保持不变。硅基底上单面沉积Ge的含量为8％的DIE薄膜在红外3-5ban波段的透过率峰值约为63．15％。

非平衡磁控溅射Ti掺杂类金刚石薄膜的基本特性

利用非平衡磁控溅射技术在镜面抛光的SCM415渗碳淬火钢基片上沉积了无掺杂类金刚石(DLC)薄膜和不同含量Ti掺杂类金刚石(Ti-DLC)薄膜。利用AFM、SEM、TEM对薄膜的微观结构与形貌进行了观察,利用纳米硬度计、摩擦磨损试验仪及纳米划痕仪测试了薄膜的显微硬度、摩擦系数及薄基结合强度。结果表明:随着Ti的掺杂,薄膜硬度先迅速降低,然后保持不变,在Ti含量为25at%时薄膜硬度出现回升,膜基结合强度随Ti的掺杂呈单调增强趋势。与无掺杂类金刚石薄膜相比,掺杂Ti后薄膜表面微观凸凹增多,摩擦系数增大。对于Ti-DLC薄膜来说,随着Ti掺杂量的增加,摩擦系数出现减小的趋势。其原因在于Ti掺杂量的增加使Ti-DLC薄膜变得更加致密,同时Ti的掺杂还有利于弥补基体表面的凸凹缺陷,使薄膜变得更平滑。

金属掺杂类金刚石薄膜研究进展

类金刚石薄膜(DLC)因具有优异的力学性能和摩擦学性能而受到广泛关注,但内应力高、热稳定性差等问题制约了它的应用和发展。将适量的金属掺入DLC薄膜中,由于金属与碳的键合作用不同,掺杂后形成的纳米晶或纳米金属碳化物颗粒具有高的活性,增加了晶界滑移,改善了薄膜结构,进而提高了薄膜的力学性能和摩擦学性能,为薄膜的应用和发展提供了新思路。对目前金属掺杂DLC薄膜的研究进行了综述,提出了未来一段时间内金属掺杂DLC薄膜的发展趋势。

不同掺杂对类金刚石薄膜的影响

目的研究单掺Si和共掺Ag、Si对类金刚石薄膜的结构、摩擦学性能和耐腐蚀性能的影响。方法以高纯石墨靶、石墨与金属复合靶、Si靶作为靶材,采用射频增强磁控溅射技术制备不同掺杂种类的薄膜。通过XPS、拉曼光谱仪对薄膜的化学组成和结构进行分析,通过纳米压痕仪、摩擦磨损试验机、电化学工作站等,对薄膜的力学性能、摩擦学性能及耐腐蚀性能进行了系统研究。结果 Si元素单掺DLC会引起薄膜中sp^3C含量增加。Ag、Si共掺DLC后,由于Ag以金属相分布在薄膜中,并促进sp^2相的形成,导致sp^3C含量降低。掺杂元素后的DLC薄膜,硬度下降,但韧性提高,其中Ag、Si共掺的DLC薄膜的弹性恢复系数达到79%。此外,Ag、Si共掺DLC薄膜在多种气氛(Ar、O_2、N_2)中都具有优异的摩擦学性能,磨损寿命均超过30 min,其中在N_2气中的摩擦系数最低(<0.1),并在NaCl溶液中的腐蚀电流密度比304不锈钢基体降低了近2个数量级,具有良好的耐腐蚀性。结论 Si与Ag共掺DLC薄膜较Si单掺薄膜具有更好的摩擦环境适应性和耐腐蚀性能。

类金刚石薄膜抗腐蚀疲劳性能的研究进展

类金刚石(DLC)薄膜是一种具有高耐磨性和高化学稳定性的薄膜材料,应用也越来越广泛。随着关键材料部件的服役环境越来越苛刻,关键部件的防护和可靠性面临新的挑战,近年来DLC的抗腐蚀性能越来越被重视。本文聚焦DLC的腐蚀和耐磨机理,归纳了DLC薄膜对合金表面腐蚀防护的研究热点,介绍了应用在材料表面的DLC不同制备方法,简述了单层DLC、多层DLC和掺杂型DLC的结构和防护机理。多层DLC具有很大的研究价值和广泛的应用前景。最后,对当前DLC薄膜对基材表面防护的发展趋势和挑战进行了展望。

磷掺杂类金刚石薄膜的制备与性能研究

应用等离子体浸没离子注入与沉积方法合成了磷掺杂的类金刚石(P doped diamond like carbon,P-aopea DLC)薄膜。结构分析表明磷以微米级岛状结构分散于DLC薄膜表层,P的掺杂增加了DLC薄膜的无序性,俄歇能谱证明岛型区域是由P、C、O三种元素形成的化合物,衰减全反射傅里叶红外光谱(ATR-FTIR)的分析结果显示存在P-O-P和P-P-C的非对称伸缩振动。掺杂表面表现出强烈的亲水性(水接触角为16.9°),体外血小板粘附实验结果显示,P掺杂DLC薄膜表面粘附的血小板少且变形小,表现出的血液相容性优于热解碳和未改性DLCo。P-doped DLC薄膜与水的界面张力为2.7 nJ/cm2,具有较理想的接近于血细胞的界面张力,因此与血液保持了较高的相容性。

AISI 316L不锈钢表面沉积Ti掺杂类金刚石薄膜及其性能

为了进一步评价医用材料AISI 316L不锈钢表面沉积掺杂Ti类金刚石薄膜的应用性能,采用离子束辅助沉积技术在AISI 316L不锈钢表面沉积了掺杂Ti类金刚石(DLC-Ti)薄膜。分别利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、摩擦磨损试验机、电化学工作站及纳米压痕仪对DLC-Ti薄膜的晶体结构,表面与截面形貌,摩擦磨损性能,电化学性能,硬度和弹性模量进行了表征。结果表明:DLC-Ti薄膜的摩擦系数超低(0.017~0.029)且未出现磨损,自腐蚀电位和点蚀电位相对于基体向正电位方向移动。DLC-Ti薄膜综合性能较好,在整形外科及刀具等应用方面具有很好的前景。

掺杂对类金刚石薄膜性能的影响

类金刚石膜具有良好的机械性能、电学性能、光学性能、摩擦学性能、热学和化学性能以及生物相容性。为了进一步挖掘并改善类金刚石膜潜在性能，人们在类金刚石膜中掺入不同元素并研究了膜性能变化。总结了掺杂对类金刚石膜性能的影响。

掺杂类金刚石薄膜微观结构和摩擦学性能的研究进展

类金刚石(Diamond like carbon,DLC)薄膜具有高硬度、低摩擦系数、低磨损率的特点,已广泛应用于各行各业,但也存在内应力大、热稳定性差以及摩擦学性能对环境敏感等问题,制约了DLC薄膜的应用。在DLC薄膜中,掺入异质元素能够改变薄膜成分、微观结构和sp3杂化键含量,可有效地减小薄膜内应力,提高结合力并改善摩擦学性能。首先介绍了掺杂DLC薄膜的起源和制备方法,简要分析了各种制备方式的优缺点,并从掺杂元素在DLC薄膜中的存在形式和sp3杂化键含量两个方面,讨论了掺杂对DLC薄膜微观结构的影响,并简要介绍了掺杂对DLC薄膜机械性能的影响。金属元素掺入DLC薄膜后,以原子溶解、单质纳米晶或金属碳化物纳米晶的形式,分布于非晶基体中;非金属元素掺入DLC薄膜后,主要以原子溶解形式溶于非晶基体。随后,系统讨论了掺杂对DLC薄膜摩擦学性能的影响。S、Ag元素的掺入能够有效减小真空环境下DLC薄膜的摩擦系数;B、N、F、Si或过渡金属的掺入能够提高DLC薄膜的热稳定性,拓宽DLC薄膜的使用温度范围;Si、F、B以及钛等过渡金属元素的掺入能够降低DLC薄膜摩擦学性能对湿度的敏感性。最后,提出了多元素掺杂和多种方法联合应用是DLC薄膜未来的重点研究方向。