钛、铝共掺杂类金刚石碳基薄膜的制备、结构及摩擦学行为研究

发布时间：2020-07-01 09:09

【摘要】：类金刚石碳基(Diamond-like carbon,DLC)薄膜一般由sp~3-C键(金刚石结构)和sp~2-C键(石墨结构)组成,属于亚稳无定形碳材料的一种。具有高硬度、高透过率、耐磨、耐蚀等优异性能,在航空航天、汽车、生物医药方面具有巨大应用前景。但因薄膜制备过程中高能粒子的连续轰击,导致薄膜存在残余应力高、膜/基结合力差、摩擦环境敏感性强等问题,这使其应用受到极大限制。大量文献研究证实,金属掺入类金刚石碳基薄膜中能显著降低内应力。但单一元素的掺杂,很难满足实际应用中复杂、多变、苛刻工况下的强韧、低应力、减摩等综合性能要求,因此,研究和发展高性能的DLC薄膜材料尤为迫切。通过双元金属掺杂,借助不同掺杂金属元素间的特性互补,是解决上述问题的有效途径。本文根据前期课题组理论计算研究,重点开展了Ti、Al共掺杂DLC(Ti/Al-DLC)复合薄膜体系的研究。首先,利用线性离子束成功制备了双元金属Ti/Al掺杂DLC薄膜,并通过改变气源、溅射电流、偏压实现了金属含量(Ti_(0-13.0 at.%),Al_(0-13.6 at.%))的调控。研究表明:随Ti、Al掺杂含量的增加,薄膜内应力和硬度都先下降后增加。当掺入少量金属时(Ti10.1%、Al4.8%),薄膜中掺杂的金属主要固溶在非晶碳基质中,键角可凭借其发生扭转,形成释放应力的“枢纽”,导致薄膜内应力降幅高达约71%,而硬度仅损失18.4%;掺杂含量增多时,金属Ti与C反应形成纳米晶碳化物,此时薄膜为纳米晶/非晶复合结构,晶界增多,晶界的扩散或滑移成为残余应力释放的方式,在内应力降低的同时,硬质颗粒相碳化物的存在维持了薄膜的高硬度。但进一步增大金属含量,硬质碳化物晶粒尺寸长大、数量增加,导致sp~3-C含量增加,使薄膜硬度和内应力均增加。为提高Ti/Al-DLC薄膜与不同衬底的适配性,在薄膜和不锈钢衬底间添加Ti、Al过渡层并研究了其对薄膜性能的影响。结果表明:过渡层的添加可有效降低内应力(1.03 GPa降低至0.25 GPa),提高薄膜结合力(从60.5 N增加到67.2 N)。另外,添加过渡层后,划痕周围产生的裂纹数量和面积减少,薄膜表现出优异的承载能力。进一步研究添加过渡层的Ti/Al-DLC薄膜在大气和PAO环境下的摩擦行为。发现:薄膜在两种环境下均呈现出优异的摩擦性能。其中,在大气环境中,接触界面能够形成低剪切力的转移膜,导致薄膜具有较低摩擦系数0.05;在润滑油环境下,薄膜摩擦系数为0.11,磨损率2.68×10~(-17) m~3N~(-1)m~(-1),耐磨性能优于大气环境中(1.56×10~(-16) m~3N~(-1)m~(-1)),这主要归因于对磨球上犁沟的存在,能够储存润滑油,在摩擦过程中产生液压油膜,避免了对磨副间直接接触,从而降低磨损率。最后,基于上述过渡层优化工艺,深入研究了大气环境下掺杂金属的DLC薄膜减摩润滑机理。发现溅射电流为2.5 A(Ti_(10.1 at.%)Al_(4.5 at.%))时,沉积的薄膜具有最低的摩擦系数和磨损率,分别为0.05和1.56×10~(-16) m~3N~(-1)m~(-1)。结构分析显示磨痕表面的石墨化程度高,对偶球磨斑上形成连续致密的转移膜。转移膜厚度约为3μm,且与本征薄膜微结构相比,转移膜发生明显偏析,形成以非晶碳为网络结构包覆大块金属团簇(主要是TiC和Al_2O_3)的特殊双相结构。在摩擦过程中易发生剪切滑移,有助于摩擦过程能量的释放,薄膜表面富集的金属碳化物或氧化物层可以防止O对碳基质的侵入和破坏,大大提高DLC薄膜的抗氧化性能,从而使薄膜获得优异的摩擦性能。
【学位授予单位】：宁波大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11;TB383.2
【图文】：

三元相图,三元相图,薄膜

钛、铝共掺杂类金刚石碳基薄膜的制备、结构及摩擦学行为研究石碳基薄膜类新型碳材料，与纯石墨（sp2-C）和纯金刚石（sp3-C）不同，比例组合而成的三维结构。因此 DLC 具有很多优异特性与纯金类似。此外，DLC 表面粗糙度很低，在光洁度要求高的工况应用制备方法中，由于 PVD 温度低衬底的选择性更广，更适用于大理想的表面防护材料，在机械、航空等领域有重要应用。能主要受薄膜内的 sp3-C、sp2-C 及 H 含量的影响，Jacob 和 Mo当时的文献后，认为 DLC 是由 sp2-C、sp3-C 和 H 三相组成的。示，可直观观察 DLC 薄膜中 sp2-C、sp3-C 和 H 含量的关系。

摩擦机理,协同机理,类金刚石碳,摩擦部件

钛、铝共掺杂类金刚石碳基薄膜的制备、结构及摩擦学行为研究目前多元掺杂 DLC 薄膜的研究仅根据试验结果随机组成，缺乏系统的理论。多元掺杂 DLC 薄膜微观结构、机械性能、摩擦性能的协同机理有待澄清，是多元掺杂在摩擦过程中的协同作用机制还不清楚，需进一步研究分析，为掺杂薄膜在摩擦部件的应用实现理论指导。

【参考文献】