偏压对DLC薄膜结构及摩擦学性能的影响
发布时间：2021-02-04 16:52
目的通过调节偏压,改善无氢DLC薄膜的微观结构,提高其力学性能和减摩抗磨性能。方法采用离子束辅助增强磁控溅射系统,沉积不同偏压工艺的DLC薄膜。采用原子力显微镜（AFM）观察薄膜表面形貌,采用拉曼光谱仪对薄膜的微观结构进行分析,采用纳米压痕仪测试薄膜硬度及弹性模量,采用表面轮廓仪测定薄膜沉积前/后基体曲率变化,并计算薄膜的残余应力,采用大载荷划痕仪分析薄膜与不锈钢基体的结合力,采用TRB球-盘摩擦磨损试验机评价薄膜的摩擦学性能,采用白光共聚焦显微镜测量薄膜磨痕轮廓,并计算薄膜的磨损率。结果偏压对DLC薄膜表面形貌、微观结构、力学性能、摩擦学性能都有不同程度的影响。偏压升高导致碳离子能量升高,表面粗糙度呈现先减小后增加的趋势,-400V的薄膜表面具有最小的表面粗糙度且C─Csp3键含量最多,这也导致了此偏压下薄膜的硬度最大。薄膜的结合性能与碳离子能量大小呈正相关,-800 V时具有3.98 N的最优结合性能。不同偏压工艺制备的薄膜摩擦系数随湿度的增加,均呈现减小的趋势,偏压为-400V时,薄膜在不同湿度环境中均显示出最优的摩擦学性能。结论偏压为-400 V时,DLC...
【文章来源】：表面技术. 2020,49(03)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
不同偏压工艺制备的DLC薄膜的AFM图
当偏压从-200 V增加到-400 V时，DLC薄膜的G峰峰位从1525.75 cm-1减小至1513.19 cm-1,ID/IG值从2.37降低至1.84；偏压继续增加至-600 V和-800 V时，G峰峰位分别增加至1521.94 cm-1和1529.27 cm-1,ID/IG值分别增加至2.82和3.63。偏压增加至-400 V时，薄膜C─C sp3键含量增加，这与薄膜力学性能的改变密切相关。当偏压继续增加至-600 V和-800 V时，沉积过程中碳离子能量进一步升高，使DLC薄膜内部原子发生局域结构和应力驰豫，促使部分sp3杂化键转变为sp2杂化键。对谱图的半高宽进行分析可知，此偏压工艺下，DLC薄膜G峰的半高宽先增大后减小。这一结果表明，DLC薄膜中sp2团簇尺寸先降低后增加，sp2团簇键角混乱度则先升高后降低。2.3 偏压对DLC薄膜力学性能的影响
不同偏压工艺制备的DLC薄膜的硬度和弹性模量如图3所示。由图中可以看出，随着偏压的增加，DLC薄膜的硬度和弹性模量呈现先升高后降低的趋势。当偏压为-200 V时，薄膜的硬度和弹性模量分别为(16.3±0.7)GPa和(180±3)GPa。当偏压为-400 V时，薄膜的硬度和弹性模量显著增加且达到最大值，其值分别为(17.1±0.5)GPa和(192±4)GPa。当偏压继续增大至-600 V和-800 V时，薄膜硬度分别为(12.1±1.2)GPa和(10.2±0.6)GPa，弹性模量分别为(167±8)GPa和(145±3)GPa。综合DLC薄膜结构和表面形貌结果可知，当偏压为-400 V时，薄膜sp3杂化键含量最多，这有利于提高薄膜的硬度和弹性模量。与此同时，薄膜的表面粗糙度低，这有利于减小硬度测量时的误差范围。随偏压继续增大，薄膜中sp3杂化键含量逐渐减少，表现出石墨化趋势。因此，过高的偏压导致DLC薄膜的硬度和弹性模量降低。不同偏压工艺制备的DLC薄膜与304不锈钢基体的结合力和薄膜内应力如图4所示，DLC薄膜划痕形貌如图5所示。从图中可以看出，随偏压的增加，DLC薄膜的结合力逐渐增加。较小的偏压使沉积过程中碳粒子能量过低，沉积过程中与基体的结合力较差。当偏压逐渐升高至-800 V时，DLC薄膜的结合力明显提升。当偏压为-800 V时，薄膜与304不锈钢基体的临界载荷LC2达到最大值，为3.98 N。这一结果主要取决于以下两方面：一方面，薄膜内应力的下降有助于提升其与基体的结合力；另一方面，沉积粒子能量随偏压升高而升高，粒子对表面有强烈的轰击作用，有助于促进薄膜与基体的结合，提高薄膜的结合力。
【参考文献】：
期刊论文
[1]类金刚石薄膜在硅基底上的沉积及其热导率[J]. 艾立强,张相雄,陈民,熊大曦. 物理学报. 2016(09)
本文编号：3018631
【文章来源】：表面技术. 2020,49(03)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
不同偏压工艺制备的DLC薄膜的AFM图
当偏压从-200 V增加到-400 V时，DLC薄膜的G峰峰位从1525.75 cm-1减小至1513.19 cm-1,ID/IG值从2.37降低至1.84；偏压继续增加至-600 V和-800 V时，G峰峰位分别增加至1521.94 cm-1和1529.27 cm-1,ID/IG值分别增加至2.82和3.63。偏压增加至-400 V时，薄膜C─C sp3键含量增加，这与薄膜力学性能的改变密切相关。当偏压继续增加至-600 V和-800 V时，沉积过程中碳离子能量进一步升高，使DLC薄膜内部原子发生局域结构和应力驰豫，促使部分sp3杂化键转变为sp2杂化键。对谱图的半高宽进行分析可知，此偏压工艺下，DLC薄膜G峰的半高宽先增大后减小。这一结果表明，DLC薄膜中sp2团簇尺寸先降低后增加，sp2团簇键角混乱度则先升高后降低。2.3 偏压对DLC薄膜力学性能的影响
不同偏压工艺制备的DLC薄膜的硬度和弹性模量如图3所示。由图中可以看出，随着偏压的增加，DLC薄膜的硬度和弹性模量呈现先升高后降低的趋势。当偏压为-200 V时，薄膜的硬度和弹性模量分别为(16.3±0.7)GPa和(180±3)GPa。当偏压为-400 V时，薄膜的硬度和弹性模量显著增加且达到最大值，其值分别为(17.1±0.5)GPa和(192±4)GPa。当偏压继续增大至-600 V和-800 V时，薄膜硬度分别为(12.1±1.2)GPa和(10.2±0.6)GPa，弹性模量分别为(167±8)GPa和(145±3)GPa。综合DLC薄膜结构和表面形貌结果可知，当偏压为-400 V时，薄膜sp3杂化键含量最多，这有利于提高薄膜的硬度和弹性模量。与此同时，薄膜的表面粗糙度低，这有利于减小硬度测量时的误差范围。随偏压继续增大，薄膜中sp3杂化键含量逐渐减少，表现出石墨化趋势。因此，过高的偏压导致DLC薄膜的硬度和弹性模量降低。不同偏压工艺制备的DLC薄膜与304不锈钢基体的结合力和薄膜内应力如图4所示，DLC薄膜划痕形貌如图5所示。从图中可以看出，随偏压的增加，DLC薄膜的结合力逐渐增加。较小的偏压使沉积过程中碳粒子能量过低，沉积过程中与基体的结合力较差。当偏压逐渐升高至-800 V时，DLC薄膜的结合力明显提升。当偏压为-800 V时，薄膜与304不锈钢基体的临界载荷LC2达到最大值，为3.98 N。这一结果主要取决于以下两方面：一方面，薄膜内应力的下降有助于提升其与基体的结合力；另一方面，沉积粒子能量随偏压升高而升高，粒子对表面有强烈的轰击作用，有助于促进薄膜与基体的结合，提高薄膜的结合力。
【参考文献】：
期刊论文
[1]类金刚石薄膜在硅基底上的沉积及其热导率[J]. 艾立强,张相雄,陈民,熊大曦. 物理学报. 2016(09)
本文编号：3018631
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