掺铜对DLC膜力学性能影响研究

利用纯铜靶作脉冲阴极,并改变碳阴极的数量或在铜靶前设置栅网调节DLC膜中铜含量,制备了不同铜含量的几组样品。研究发现,随着铜含量的增加,薄膜的硬度和应力下降;但当铜原子百分比含量大于6.3%时,薄膜的硬度和应力基本保持不变。摩擦因数随着铜含量的增加,一直缓慢增加,并且磨损量也慢慢增加。

Cu掺杂类金刚石薄膜应力降低机制的第一性原理研究

目的比较不同浓度Cu掺杂类金刚石薄膜的性能变化规律,并分析Cu掺杂对薄膜性能变化的作用机制。方法建立密度为2.03 g/cm^3、2.87 g/cm^3的不同Cu原子数分数(1.56%~7.81%)掺杂类金刚石薄膜(Cu-DLC)初始模型,采用NVT和NOSE温度调节法模拟熔融退火及淬火过程,以及基于广义梯度近似(GGA)的共轭梯度法优化几何模型,运用CASTEP计算Cu-DLC模型的径向分布函数(RDF)、sp3-C含量、体积模量、键长和键角分布等,并探讨Cu掺杂对DLC膜应力变化的影响机制。结果随Cu含量的增加,薄膜中sp3-C杂化比例增加。与DLC相比,Cu掺杂DLC的RDF中第一峰和第二峰的位置发生显著偏移,薄膜中残余应力随着Cu含量的增加先减小后增大,Cu含量为1.56%时,残余应力最小(7.2 GPa)。Cu含量增加导致总键角分布的峰值降低,峰宽向小键角移动,总键长分布峰值降低,在长键长方向产生小而宽的峰。结论C Cu的弱键特性及扭曲的键角、键长得到松弛,对薄膜残余压应力的降低有显著作用,在较高Cu浓度条件下,扭曲的C C键比例增加,形成了更多扭曲的C Cu和Cu Cu结构是导致残余应力增加的关键因素。

Cu掺杂提高类金刚石膜场致发射特性研究

采用双磁过滤阴极真空弧和磁控溅射沉积法,在Cu基体表面上制备了以钛(Ti)和钛化碳(TiC)过渡层材料的Cu掺杂非晶类金刚石(DLC)薄膜。自行设计制作了薄膜材料场致发射特性测试装置,探讨了Cu掺杂影响DLC薄膜场致发射特性的机理。运用扫描电子显微镜(SEM)和拉曼光谱分析了铜掺杂DLC薄膜的微观结构组成和表面形貌的变化。研究发现,相对于未掺杂的DLC膜,掺Cu DLC膜具有更好的场致发射特性,开启电压从45降为40 V/μm。SEM分析显示适当的Cu掺杂可使薄膜表面具有更加精细的亚微米级突起结构,突起之间连接更加紧密。Raman分析结果显示:适当的Cu掺杂可以使薄膜中的sp^(2)杂化键含量和薄膜的导电性提高,场致发射特性更好;过度掺杂Cu则会使薄膜表面含有过多Cu而致场致发射特性下降。

基体负偏压对掺Cu类金刚石薄膜摩擦学性能的影响

采用直流磁控溅射镀膜技术以304不锈钢为基体在不同基底负偏压(0、100V、150V、200V和250V)下制备掺杂铜的纳米结构类金刚石薄膜(Cu-DLC)。利用能谱分析仪和X射线衍射分析仪分析薄膜成分和物相结构。采用球盘旋转式摩擦磨损试验机考察薄膜的摩擦学性能,再以三维超景深显微镜对磨痕的形貌进行分析。结果表明:在304不锈钢基底上成功制备了一系列Cu-DLC薄膜,无负偏压时,薄膜掺铜量较低,摩擦学性能较差;加负偏压后,薄膜掺铜量升高,但随着负偏压的增大,掺铜量逐渐减少;Cu元素的掺杂可有效地降低薄膜的摩擦系数,所制备的薄膜均有较低的摩擦系数,均在0.1以下,实现了低摩擦;基底负偏压影响薄膜的元素掺杂量及薄膜摩擦学性能,负偏压为100V时,薄膜的掺铜量最高,薄膜的摩擦学性能最优,此时摩擦系数为0.0669,磨损率最小,为9.87×10^-5 mm3/(N·m)。