γ辐照对a-C:H薄膜微观组织、力学性能及摩擦学性能的影响

近年来随着核能及其核装备的发展,辐照环境下高能粒子对润滑材料服役行为的影响受到越来越多的关注.本研究利用自行设计研制的磁控溅射系统制备a-C:H润滑薄膜,并对其进行伽马(γ)辐照处理.考察γ辐照康普顿效应对a-C:H薄膜微观组织、力学性能和摩擦学性能的影响.结果表明:经γ辐照后a-C:H薄膜存在由sp^(2)杂化C原子结构向sp^(3)杂化C原子结构转变的趋势,且辐照使得C-H键发生断裂,薄膜内H原子的键合能降低.伽马辐照使得aC:H薄膜的纳米机械性能显著提高,辐照样品的残余应力也随辐照剂量呈增加趋势.此外,γ辐照也使得a-C:H薄膜的摩擦系数和磨损率轻微增加.综合分析可知,γ辐照在测试剂量范围内对a-C:H薄膜的摩擦性能影响有限,但辐照诱发应力的增加是限制其在核环境中应用的主要因素.

直流反应磁控溅射沉积a-C:H薄膜的微结构和摩擦磨损行为

采用直流的反应磁控溅射技术,以高纯石墨为溅射靶材和CH_4为反应气体,调节CH_4流量,在p(100)单晶硅和不锈钢基底上成功制备出系列的含氢a-C:H薄膜.利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、原子力显微镜(AFM)、Raman光谱、纳米压痕仪、CSM划痕测试仪、摩擦磨损试验机等测试手段对所制备含氢a-C:H薄膜的微结构、力学性能和摩擦磨损行为进行系统表征.结果表明:随着CH_4流量的增加,含氢a-C:H薄膜的致密度呈现出微弱的先增加后减小的趋势;薄膜的沉积速率随着CH_4流量的增加逐渐增加,但增幅呈现出逐渐减小趋势;随着CH_4流量的增加,薄膜中sp^3杂化键含量及其纳米硬度和杨氏模量也呈现出先增加后减小的规律;摩擦实验结果表明当CH_4流量为8 sccm,所制备的含氢a-C:H薄膜的摩擦学性能最佳,摩擦系数为0.20,磨损率为6.48×10^(-7)mm^3/(N·m).

基于动力学标度法的a-C:H薄膜表面微观形貌的演变机理研究

采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法在Si(111)基底上制备a-C:H薄膜,利用原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)对a-C:H薄膜的表面形貌与表面粗糙度进行表征,并从动力学标度法角度出发讨论a-C:H薄膜表面粗糙度的演变机理。研究结果表明:a-C:H薄膜表面微观形貌为自仿射分形表面,可用分形维数来评价薄膜的表面粗糙度;随着H_2流量的增加,薄膜表面粗糙度先减小后增大,在T_2B与H_2流量比为0.2/6时,a-C:H薄膜的表面粗糙度R_q为2.2nm,相对于其他条件下生长的薄膜的表面粗糙度低,薄膜表面较光滑,致密性良好。

a-C:N:H纳米尖端荧光产生的机理

用CH4,H2和NH3为反应气体,利用等离子体增强热丝化学气相沉积在沉积有碳膜的Si衬底上制备了a-C:N:H纳米尖端,并用扫描电子显微镜和微区Raman光谱仪对碳膜和纳米尖端进行了表征。结果表明:Raman谱中含有与碳和氮相关的峰,且纳米尖端的Raman谱比碳膜的Raman谱有很强的荧光背景。Raman谱中的峰说明沉积的碳膜和纳米尖端是a-C:N:H薄膜和a-C:N:H尖端。a-C:N:H纳米尖端的Raman谱中强荧光背景的产生表明其在激发光源照射的过程中发射了强荧光,对a-C:N:H纳米尖端产生强荧光的机理进行了探讨。

rf-dc PECVD制备的a-C∶H(N)薄膜的结构分析

采用射频－直流等离子增强化学气相沉积技术用Ｃ２Ｈ２和Ｎ２气的混合气体制备出ａ－Ｃ∶Ｈ（Ｎ）薄膜，用ＴＥＭ、红外谱、ＸＰＳ等多种分析测试手段研究了薄膜的结构。结果表明ａ－Ｃ∶Ｈ（Ｎ）薄膜中Ｎ与Ｃ原子可形成ＮＣ、ＣＮ和ＮＣ键，而碳氢原子主要以ＣＨ２基的形式存在。且薄膜中存在具有理想化学配比的Ｃ３Ｎ４相。

a-C:H薄膜组成及结构

含氢非晶碳(a-C∶H)薄膜主要由SP3C、SP2C 和H 3种“元素”组成，在它们的三 元相图中，a-C∶H 薄膜具有特定的组成区域。由于IR 分析法对SP3C/SP2C 分析存在着系 统误差，因而导致所得结构偏离该组成域。通过对IR 法的结果分析发现，SP3C 含量偏高， SP2C含量偏低；a-C∶H 薄膜中SP2C 主要以非质子化形式存在，其含量可高达67 ％；质子 化的SP2C仅占SP2C 总量的10 ％左右。a-C∶H 薄膜是受到较高约束的空间立体网络结构。

a-C∶H/a-Se复合膜非平衡晶化分形特征的SEM观测

a-C∶H/a-Se/Al 感光体的 a-C:H 层在能流密度的6.4×10^(14)eV/mm^2·s 的离子流轰击下发生了非平衡晶化凝聚。晶体凝聚物为“链环状分形”。用盒子计数法测得其分数维 D_0=1.35±0.04;用相关函数法测得其关联维为 D_2=1.39±0.03。这与我们用计算机模拟的结果很好地符合。本文同时讨论了这一系列文章([2][3]及本文)对发展一种新的非平衡晶化分析方法的意义。

微波ECR-CVD法制备a-C:F:H膜的红外吸收及其光学带隙

改变CHF3 CH4 流量比R =[CHF3] ([CHF3]+[CH4 ]) ,采用微波电子回旋共振等离子体化学气相沉积 (MWECR CVD)方法沉积a C :F :H薄膜。a C :F :H薄膜的结构和光学带隙使用傅立叶变换红外光谱和紫外 可见光谱来表征。红外结果表明 ,在低流量比R(R <6 4 % )下 ,薄膜的红外特征结构主要以 CF(10 6 0cm- 1 ) , CF2(112 0cm- 1 )以及 CHx(2 80 0～ 30 0 0cm- 1 )的伸缩振动为主 ;在高流量比R(R >6 4 % )下 ,薄膜表现为类聚四氟乙烯(PTFE)的结构特征 ,典型的红外特征峰是位于 12 2 0cm- 1 处的 -CF2 反对称伸缩振动。薄膜的光学带隙Eg 随流量比R的变化表现为先降后升。进一步研究表明 ,薄膜中的H和F浓度调制着薄膜的CC共轭双键结构 ,使光学带隙Eg 从 2 37到 3

a-C:H(N)薄膜的慢正电子分析

采用C2H2和N2的混合气体在单晶Si衬底上用射频一直流等离子化学气相沉积法制备a－C：H（N）薄膜，用Fourier红外谱研究了a-C：H（N）薄膜的结构。用慢正电子湮没技术研究了类金刚石薄膜中缺陷的深度分布以及N的百分含量对薄膜中缺陷浓度和缺陷类型的影响。Fourier红外测试结果表明，a－C：H（N）薄膜中氮含量随混合气体中N2百分含量的升高而增大，薄膜中碳氮原子形成C≡N键。慢正电子分析表明．单晶Si衬底具有很高的缺陷浓度，类金刚石薄膜中的缺陷浓度较低，且缺陷均匀分布，薄膜表面存在一缺陷浓度较高的薄层，而膜一基之间存在一很宽的界面层。a-C：H（N）薄膜的缺陷浓度随N含量的增加而增大，但含饲量不改变薄膜中的缺陷类型。

a-C: H(N)薄膜的生物相容性

采用射频－直流等离子增强化学气相沉积法用Ｃ２Ｈ２与Ｎ２的混合气体制备了ａ－Ｃ：Ｈ（Ｎ）薄膜，用动物急性实验法和细胞毒性实验法研究了ａ－Ｃ：Ｈ（Ｎ）薄膜的生物相容性。结果表明，ａ－Ｃ：Ｈ（Ｎ）薄膜的生物相容性优于常用生物材料纯Ｔｉ，且能为细胞的生长提供合适的生长表面。

304不锈钢表面Cr/a-C:H薄膜的制备及其抗腐蚀性能

采用直流反应磁控溅射技术在304不锈钢表面制备Cr/a-C:H薄膜进行表面改性,有望提高其在NaCl溶液中的耐蚀性能。采用Raman光谱仪、X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)研究了Cr/a-C:H薄膜的微观结构和表面形貌;利用接触角测量仪和动电位极化曲线研究了304不锈钢表面沉积Cr/a-C:H薄膜前后的润湿性和抗腐蚀性能。结果表明:所制备薄膜为Cr_3C_2纳米晶镶嵌非晶碳的典型纳米晶/非晶复合薄膜;薄膜表面光滑、结构均匀致密;沉积Cr/a-C:H薄膜后304不锈钢表面由亲水性转为疏水性,水接触角达到95°;在3.5%NaCl溶液中304不锈钢表面沉积Cr/a-C:H薄膜体系的自腐蚀电位约为-0.06 V,腐蚀电流密度为2.95×10^(-8)A/cm^2,极化电阻为14.07×10~5Ω·cm^2,相比于表面无薄膜防护的304不锈钢,该体系的抗腐蚀性能得到明显提升。

真空退火对a-C:F:H薄膜的结构与光学带隙的影响

使用CF4和CH4为源气体 ,利用射频等离子体增强化学气相沉积 (RF PECVD)法制备了掺氟非晶碳 (a C :F :H)薄膜 ,并在N2 气氛中进行了不同温度的退火。用原子力显微镜 (AFM)观察了薄膜在退火前后表面形貌的变化 ,发现退火后薄膜表面变得平坦 ,疏松。用紫外 -可见光透射光谱 (UV VIS)并结合傅里叶变换红外光谱 (FTIR)和喇曼 (Raman)光谱对薄膜进行了分析 ,获得了薄膜化学键结构和光学带隙的变化情况 ;发现薄膜的化学键结构和光学带隙与真空退火密切相关 ,高温退火后薄膜化学键结构 :CHx(x=1,2 ,3下同 )、F -芳基、CF2 和CF等基团的含量改变 ;薄膜的光学带隙决定于CHx、退火后CHx 含量减少导致薄膜光学带隙的减小。

功率和温度对a-C:F:H膜表面形貌和结构的影响

分析薄膜的表面形貌对其生长机理和光学性质研究有着十分重要的作用。本文使用CF4和CH4为源气体,利用射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)法在不同射频功率和沉积温度下制备了掺氟氢化无定形碳(a-C∶F∶H)薄膜,并在N2气氛中进行了不同温度的退火处理。用原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)观察了薄膜表面形貌,发现低功率下沉积的薄膜表面均匀性好、缺陷少;在低温下沉积的薄膜表面光滑,而高温下粗糙;真空低温退火可使薄膜表面形貌得到改善,但薄膜内空洞增加,退火温度过高,薄膜的结构发生变化,且在薄膜表面发生皲裂现象。用R am an光谱对薄膜内的结构变化进行了进一步的分析。

a-C:H/a-Se复合膜的晶化分形凝聚

在铝板上用高真空、低衬底温度蒸发得到非晶硒(a-Se)膜,然后用辉光放电法在其上制作非晶碳膜(a-C:H),所得的复合材料具有优良性质,可能有重要应用。将此样品用6.

退火温度对a-C:H膜结构及摩擦学性能的影响

为研究环境温度对含氢无定形碳(a-C:H)膜结构和性能的影响,将a-C:H膜在大气环境中进行高温退火处理,并借助红外光谱、拉曼光谱、X射线光电子能谱、3D表面分析仪和球盘摩擦试验机等手段对退火前后a-C:H膜的结构、组成和性能进行了系统地考察.研究发现,在较低的退火温度下(300℃),a-C:H膜结构无明显变化,而其内应力降低,摩擦学性能显著提高;在400℃和500℃下退火,膜结构发生明显变化并伴随严重氧化,同时摩擦学性能降低甚至完全失效.结果表明,退火温度的选择对a-C:H膜的结构、组成及性能具有重要影响.

a-C∶H/a-Se复合膜晶化分形凝聚的计算机模拟研究

本文基于红外透射及喇曼谱分析的结果提出了一个 a-C:H/a-Se 复合膜的 a-C∶H 层非平衡晶化凝聚模型,并做了计算机模拟研究。模拟得到的图形是具有良好的无标度性的链环状分形。其分维值为1.37±0.02,此结果得到了实验的肯定。这对非晶膜的结构及晶化机理的研究均富有价值。

C2H2/Ar流量比对a-C:H涂层结构及摩擦学性能的影响

a-C:H涂层因具有高硬度、低摩擦系数及良好的化学惰性等性能,使其作为表面防护材料具有广泛的应用前景,而涂层中的H含量和sp^(2)C/sp^(3)C比值是影响其力学及摩擦学性能的重要因素.本研究中采用非平衡磁控溅射技术在9Cr18钢表面制备了a-C:H涂层,对比研究了前驱体组成对不同结构含H碳膜的氢含量、微观结构、力学性能和摩擦学性能的影响.结果表明:增大C_(2)H_(2)/Ar流量比,涂层的生长率及H含量逐渐增大,但致密性降低.由于涂层中C-H键及致密性的变化,a-C:H涂层的硬度和弹性模量随C_(2)H_(2)/Ar流量比的增大而逐渐减小,但结合强度却先增大后降低.当C_(2)H_(2)/Ar流量比低于4:3时,涂层表现出良好的减摩耐磨性能,当C_(2)H_(2)/Ar流量比高于4:3时,涂层的摩擦系数和磨损率出现了急增的现象.总体而言,a-C:H涂层的摩擦系数和磨损率随C_(2)H_(2)/Ar流量比的增加呈现先增大后降低的趋势.由于H原子的钝化作用及涂层力学性能的变化,使a-C:H涂层的磨损机制由磨粒磨损和黏着磨损变为磨粒磨损.当C_(2)H_(2)/Ar流量比为1:1时,a-C:H涂层具有最低的摩擦系数(约为0.1)和磨损率[8.0×10^(-8) mm^(3)/(N·m)],表现出最佳的力学及摩擦学性能,这种性能的变化与涂层中的H含量和sp^(2)C/sp^(3)C比密切相关.

真空下载荷对a-C:H超润滑薄膜的摩擦学性能影响研究

高含H量a-C:H薄膜因能在宏观尺度实现超润滑(μ<0.01)而备受关注,具有广阔的应用前景。但高含H量a-C:H薄膜的摩擦学特性对测试条件十分敏感,为此,本文研究了典型工况(载荷)对薄膜摩擦学特性的影响及其摩擦学机制。采用球盘摩擦实验机对a-C:H薄膜在不同载荷下进行摩擦实验;使用表面轮廓仪观测薄膜在不同工况下的磨损形貌,计算磨损率;使用拉曼光谱仪测试摩擦界面处碳相结构信息及H元素的相对含量。结果表明:随着载荷的增加,摩擦界面处sp3键向sp2键转化程度增加,sp2键石墨化程度增加;摩擦界面处H元素的消耗速率增加,消耗的不均匀性同时增加;在超润滑阶段,摩擦因数基本不受载荷影响,薄膜的耐磨性能依赖于超润滑状态带来的超低摩擦因数,不同载荷下薄膜均没有明显磨损;超出超润滑阶段后,薄膜均出现较严重磨损。

溅射能量对WC/a-C：H薄膜结构与性能的影响

为探究溅射能量对WC/a-C:H薄膜结构与性能的影响,并讨论WC掺杂对a-C:H薄膜的影响。通过非平衡磁控溅射+等离子体增强化学气相沉积法(UBMS+PACVD),以WC靶作为溅射靶,C_2H_2为反应气体,通过调制溅射靶电流,在316不锈钢基体上制备WC/a-C:H系列薄膜。用场发射电镜、透射电镜、X射线衍射仪、XPS、拉曼光谱等对薄膜的微观结构和成分进行表征,用划痕仪、纳米硬度仪测试了薄膜的力学性能,用多功能摩擦机对薄膜的摩擦学性能进行分析。结果表明:WC主要以β-WC_(1-x)纳米晶的形式均匀分布在非晶碳中,随着溅射靶电流的上升,薄膜中W含量和膜基结合力呈上升趋势,在11A时上升至21.9%(摩尔分数)和18.6 N,而I_D/I_G比值和硬度逐渐降低至0.55和11 GPa。溅射靶电流为4 A时,WC/a-C:H薄膜表现出较好的磨损性能,摩擦因数低至0.15,磨损率为5.38×10^(-7) mm^3/(N?m)。

a-C∶H/KCl复合膜晶化凝聚模型及凝聚物标度不变性的计算机模拟研究

基于红外分析结果,本文提出一个 a-C:H/KCl 复合膜 a-C:H 层非平衡晶化凝聚的模型,并做了计算机模拟研究。模拟图形为具有良好的标度不变性的链环状分形,其分数维值为1. 81±0. 03。模拟结果表明,当图形密度变化时,所得分雏值不变,但标度区的范围随密度增大而变宽。