Ti-DLC薄膜压阻性能及载流子输运行为研究

围绕压阻传感器领域对高性能类金刚石(Diamond Like Carbon,DLC)薄膜压阻敏感材料的需求,针对金属掺杂DLC存在的载流子输运行为和实际多工况(如温度、湿度等)下压阻性能不明的问题,本工作以Ti-石墨复合拼接靶为靶材,采用高功率脉冲磁控溅射技术,高通量制备出4种Ti含量(原子分数为0.43%~4.11%)的Ti掺杂类金刚石(Ti-DLC)薄膜,研究了Ti含量对薄膜组分结构、电学性能、变湿度环境下压阻性能的影响规律。结果表明:Ti含量(原子分数)在0.43%~4.11%范围内,掺杂Ti原子均以固溶形式均匀镶嵌于非晶碳网络中,Ti-DLC薄膜电学行为表现为典型半导体特性,在200~350 K温度范围内,薄膜电阻率均随温度升高而降低。载流子传导机制在200~270 K内为Mott型三维变程跳跃传导,在270~350 K范围内则为热激活传导。Ti-DLC薄膜压阻系数(Gauge Factor,GF)最大值为95.1,在20%~80%相对湿度范围内,所有样品GF均随湿度增加而增大,这可能是引入的固溶Ti原子缩短了导电相之间的平均距离,同时吸附表面水分子导致电阻变化。

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。

掺钛类金刚石膜的微观结构研究

采用无灯丝离子源结合非平衡磁控溅射的方法,在模具钢及单晶硅基体上制备了梯度过渡的掺钛类金刚石(Ti-DLC)膜层,利用俄歇电子谱(AES)、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)及X射线衍射(XRD)等手段对膜层的过渡层、界面及微观结构进行研究。结果表明:制备的膜层成分深度分布与所设计的基体/Ti/TiN/TiCN/TiC/Ti-DLC相吻合,在梯度过渡中不同膜层之间界面体现为渐变过程,结合非常良好;少量的Ti主要以纳米晶TiC的形式掺入到非晶DLC膜当中;所制备的膜层具有厚2.9μm、硬度高达25.77 GPa、膜/基结合力44 N-74 N。

CoCrMo合金表面掺金属类金刚石薄膜的摩擦学性能

采用非平衡磁控溅射结合阳极型气体离子源技术在CoCrMo合金表面制备掺钨类金刚石薄膜(WDLC)和掺钛类金刚石薄膜(Ti-DLC)。利用努氏显微硬度计、结合力划痕仪、摩擦磨损试验机、表面形貌仪和洛氏硬度计表征膜层的力学性能,并用扫描电镜分析磨损形貌,探讨薄膜磨损机理。结果表明:所制备的2种薄膜均具有典型的DLC薄膜特征,W-DLC薄膜的硬度、结合力和摩擦磨损性能均优于Ti-DLC薄膜,更适合于CoCrMo合金的表面强化处理;CoCrMo合金的磨损机制主要为粘着磨损和磨粒磨损,而Ti-DLC/CoCrMo和W-DLC/CoCrMo的磨损机制以滑动磨损为主伴随极少量的磨粒磨损;经DLC薄膜处理,摩擦因数从CoCrMo合金的0.578降低到0.2以下,磨损率也降低了2个数量级,大幅度地提高了CoCrMo合金的摩擦磨损性能。

掺Ti量对类金刚石薄膜机械性能的影响

采用非平衡磁控溅射技术,通过改变Ti靶溅射电流,在不锈钢衬底表面沉积了不同掺Ti量的类金刚石薄膜(Ti-DLC),研究了掺Ti量对薄膜的显微硬度、弹性模量、膜/基结合强度、断裂韧性及摩擦磨损行为的影响。结果表明:DLC薄膜掺杂Ti后,硬度明显提高,且随着Ti靶溅射电流的增大,薄膜硬度先增加、后降低,Ti靶溅射电流为1.5A时,薄膜硬度最高;掺杂适量的Ti,可以明显改善DLC薄膜的膜/基结合强度和断裂韧性,并能明显降低DLC薄膜的摩擦系数。

非平衡磁控溅射掺Ti类金刚石薄膜的结构分析

采用非平衡磁控溅射沉积技术在SCM415渗碳淬火钢基片上沉积了无氢Ti掺杂类金刚石(Ti-DLC)薄膜和无氢高纯类金刚石(DLC)薄膜,通过调节Ti靶的溅射功率使获得的Ti-DLC薄膜Ti含量(原子分数)为1.9%—34%.利用Raman分光光谱仪、XPS,XRD、显微硬度计及纳米划痕仪分析研究了Ti-DLC的组织结构、显微硬度及薄膜附着力.结果表明,利用非平衡磁控溅射得到的Ti-DLC薄膜,在Ti含量小于25%时,Ti-DLC薄膜仍具有类金刚石薄膜的sp^2,sp^3结构,但Ti的掺杂促进了sp^3键向sp^2键的转变.掺杂的Ti以TiC纳米晶的形式存在于非晶态的DLC中.掺杂Ti后薄膜的硬度明显降低,而薄膜附着力明显改善;但是当Ti含量超过3%后,薄膜附着力无明显变化,硬度逐渐回升.

退火对无氢钛掺杂类金刚石(Ti-DLC)膜结构及性能的影响

利用非平衡磁控溅射复合靶技术制备了一系列掺钛的无氢类金刚石(Ti-DLC)薄膜,并对薄膜的热稳定性能、机械性能、应力分布以及表面形貌进行了研究。实验结果表明:退火处理对Ti-DLC膜的性能具有重要影响。随着热处理温度的升高,成膜晶粒逐渐细化,电阻率上升但至一定值后趋于稳定。退火温度的升高,会促使薄膜应力逐渐减小,硬度变低,但其耐火温度可以达到600℃以上而不发生石墨化,这一结果为DLC膜在高温环境下的应用提供了一定思路。

掺钛对类金刚石薄膜力学性能影响研究

利用脉冲电弧离子镀技术制备了一系列钛含量不同的类金刚石薄膜。对样品研究发现:随着钛含量的增加(原子百分比小于5.3%),薄膜的硬度和应力都开始下降,且应力的下降幅度大于硬度下降幅度;但当钛含量继续增大时(原子百分比在5.3%和18.0%之间),薄膜的硬度继续保持下降,但薄膜的应力基本保持不变。摩擦系数在钛原子百分比含量小于6.3%时,保持不变,随着钛含量的继续增大,摩擦系数缓慢增加,但当钛含量到达一定值后,其磨损量增加,摩擦系数开始变的不稳定。

钛镍合金上制备类金刚石薄膜的性能研究

Ti Ni形状记忆合金是目前唯一用作生物医学材料的形状记忆合金。它的主要缺点是不具有生物活性,会对机体造成不利影响。DLC膜以其优异的生物相容性、抗腐蚀性及化学稳定性倍受关注。利用脉冲真空电弧离子镀技术镀制DLC膜改善Ti Ni合金的表面性能。对DLC膜的表面形貌、显微硬度、摩擦系数、耐磨性能及耐腐蚀性能进行了测试。结果表明:用脉冲真空电弧离子镀技术制备的DLC膜膜层表面形貌较好、硬度高、摩擦系数小、耐磨及耐腐蚀性能良好。

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。

Ti-C→DLC梯度复合膜及其摩擦性能

在GCr15轴承钢基体上制备了Ti－C→DLC梯度复合膜．对其深度成分分布、化学结构及其在试验室环境下对GCr15商品钢球的摩擦性能进行了研究．结果表明，在轴承钢基体与DLC膜之间形成了Ti，C成分呈梯度变化的Ti－C过渡层，C和对以TiC态和游离态两种化学状态存在．Ti—C梯度过渡层对摩擦承载能力起着关键性的影响，Ti－C→DLC梯度复合膜具有高的摩擦持久寿命和稳定的低摩擦系数，其摩擦系数约为0．16左右．

掺钛类金刚石膜的制备及在手表外观件上的应用

为有效提高手表外观件表面的耐磨、耐蚀性能和装饰性能,采用阳极层流型气体离子源结合非平衡磁控溅射技术,制备了梯度过渡掺钛类金刚石(Ti-DLC)膜层,并对其在手表外观件上的应用进行研究。结果表明:此方法获得了显微硬度2232 Hv,膜基结合力大于50 N,摩擦系数为0.15的综合性能优良Ti-DLC薄膜;在手表外观件上所沉积的膜层颜色呈亮黑色且均匀一致;手表外观件经镀膜后表面耐磨性达到10000 m以上,耐人工汗也超过行业要求,经实际佩带4年以上的手表外观也基本完好。

铝基复合材料表面多层复合厚膜的研究

对含50%AlN颗粒的铝基复合材料进行预处理后,在其表面依次采用浸锌化学镀镍工艺制备Ni-P过渡层,采用脉冲偏压磁过滤多弧离子镀工艺沉积硬质Ti/TiN调制周期膜,采用脉冲等离子体化学气相沉积工艺制备含氢类金刚石(DLC)膜等工艺最后形成了多层复合薄膜体系。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、光谱仪、原子力显微镜、微载荷显微硬度仪、摩擦磨损试验机等设备分析了复合薄膜的组织结构、膜层形貌、截面形貌、显微硬度和摩擦系数等性能特点。测试表明:铝基复合材料/Ni-P层/Ti/TiN调制周期膜/含氢DLC膜这一梯度膜系具有结构交替变化,相邻界面形成混合层,性能梯度分布,硬度逐渐增加,摩擦系数小的特点。该复合工艺能够有效地解决铝基复合材料上制备硬质厚膜的热适配和晶格错配度大的难题,制备薄膜具有良好的膜基结合性能。

类金刚石膜Ti,Zr掺杂对DLC性能的影响

主要针对类金刚石膜存在的内应力大、热稳定性差等缺点,通过反应磁控溅射技术制备了掺杂Ti,Zr金属元素的DLC薄膜,将掺杂Ti,Zr金属元素的DLC薄膜与未掺杂DLC薄膜进行了比较,结果表明掺杂金属的DLC膜能够明显降低薄膜内应力,提高薄膜热稳定性,对于含氢DLC膜,金属的掺杂还提高了薄膜的硬度,但掺杂后的摩擦系数变大。

基于复合靶制备Ti-DLC膜的结构和性能

利用非平衡磁控溅射技术,以Ti-C复合靶为溅射靶材,在Si基底上制备了钛掺杂的类金刚石(Ti-DLC)薄膜,并对薄膜的表面形貌、电阻率、硬度、摩擦系数、附着力等性能进行了研究。借助微观结构测试结果,综合分析了薄膜在不同工艺参数下的宏观性能变化。实验表明:随着Ti掺杂含量从4at.%到35at.%,Ti-DLC膜电阻率下降了3个数量级;同时,薄膜的本征硬度从4771kgf/mm2降低到3037kgf/mm2,而Ti含量继续增加,硬度值反而会增加;XRD衍射图样表明薄膜的基质呈非晶特征,膜层中有TiC晶相生成;掺杂Ti元素能改善DLC薄膜的附着性能,Ti含量的增加有助于附着力的提升。

沉积类金刚石膜过程对钛箔基体性能和组织的影响

本文采用真空阴极电弧沉积方法，研究在成型Ｔｉ箔上沉积类金刚石（ＤＬＣ）膜以制备ＤＬＣ／Ｔｉ复合扬声器振膜过程中，Ｔｉ箔性能与组织的变化时发现，镀膜前的“轰击”处理使Ｔｉ箔发生完全再结晶，基体显微硬度下降；随后的镀膜过程使基体显微硬度回升，其回升幅度主要与沉积速率、沉积温度、膜层厚度等因素有关。伴随硬度的回升，显微组织出现进一步的细化。沉积ＤＬＣ膜过程中的这种“双重强化”效应在实际场合中是十分有用的。

类金钢石碳—钛复合体的生物相容性评价—NK细胞活性和IL-2产生能力测定

目的 :检测类金钢石碳—钛复合体 (diamond -like -carbontitanium,DLC -Ti )对机体NK细胞(自然杀伤细胞 ,naturalkillercell)活性和IL -2(白细胞介素Ⅱ ,intereukinsⅡ)产生能力的影响。方法 :将DLC-Ti、纯钛、医用不锈钢、纯铜4种材料植入小鼠体内 ,分别于1、2、4和6周后检测NK细胞活性和IL -2产生能力。结果 :DLC -Ti在术后第4周使NK细胞活性和IL -2产生能力降低明显 (P<0.01 ) ,至第6周时已基本恢复正常。而纯钛对两项指标的影响都比DLC -Ti明显 ,NK细胞活性在实验后期仍受到明显抑制。结论 :DLC -Ti具有比纯钛更好的生物相容性。

Ti-Ni合金上镀制类金刚石薄膜研究

利用脉冲真空电弧离子镀技术在Ti＿Ni形状记忆合金上成功地镀制了类金刚石薄膜,测试了膜层的电阻率,进行了Raman散射和扫描电镜(SEM)分析,并对两种工艺方法的优劣进行了比较.

类金钢石碳—钛复合体的生物相容性评价—外周血T淋巴细胞亚群测定

目的 :了解类金刚石碳 -钛复合材料对动物免疫系统的影响。方法 :利用化学气相沉积法将类金钢石碳镀于金属钛表面 (厚约1μm) ,制成类金钢石碳—钛复合体 (Diamond -Like -CarbonTitanium,DLC -Ti) ,并以纯钛、医用不锈钢、纯铜作对照 ,分别植入小鼠体内 ,手术后1、2、3、4和6周检测外周血T淋巴细胞亚群CD4、CD8 阳性细胞率及CD4 与CD8 比值(CD4/CD8)的变化情况。比较受试材料对机体免疫系统的影响。结果 :DLC -Ti对免疫系统只具有短时间的抑制作用 ,在第2周和第3周时对CD4 和CD8 分别有明显的抑制作用 ,实验后期则无明显影响 ,而其它三种材料对小鼠T淋巴细胞亚群始终存在明显的抑制作用。结论 :类金刚石碳 -钛材料有较好的生物相容性 。

双弯管磁过滤阴极真空弧技术沉积超厚多层钛掺杂类金刚石膜

极端工况对关键部件涂层的性能要求较高,作为常用涂层,薄类金刚石(Diamond-like carbon,DLC)膜因其厚度的局限性已不能满足日益增长的性能需求,因此超厚DLC膜的制备工艺具有较大的现实意义。采用双弯管磁过滤阴极真空弧沉积技术制备多层Ti掺杂DLC膜,并通过显微维氏硬度计、摩擦磨损试验仪、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、能谱仪(EDS)、透射电子显微镜(TEM)、X光电子能谱仪(XPS)、X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪(Raman)等对膜的结构和性能进行表征。结果表明:薄膜的沉积速率最高可达0.40μm/min;随着沉积过程中C2H2流量的增加,Ti掺杂DLC膜中超硬Ti C相的相对含量降低,因此导致膜硬度降低,同时热稳定性变差;通过金属掺杂以及多层复合结构的方法能够有效制备低内应力的DLC膜,同时实现超厚DLC膜(最高可达42.3μm)的制备。