类金刚石膜基界面调控及机械性能研究

发布时间：2020-09-08 07:54

　　类金刚石(Dimond-like carbon,DLC)薄膜凭借其摩擦系数低、硬度高、耐磨性好、化学稳定性强等优异的综合性能得到世界范围内科研工作者及企业的关注,但是由于制备方法的限制及自身微观结构的影响,导致其内应力极高,造成膜基结合强度低影响其自身机械性能。本文采用工业H1300 mm×Φ1700 mm型炉体,运用PACVD(Plasma-assisted chemical vapor deposition)方式制备类金刚石薄膜,这种配置方式成本低工艺简单,同时为改善类金刚石薄膜的结合强度,在膜基间添加Cr C过渡层,研究Cr C过渡层的制备参数及多层结构对DLC薄膜整体机械性能的影响。为进一步改善DLC的膜基结合强度提高薄膜性能,采用PACVD复合PVD工艺制备WC过渡层,通过与传统制备方式的对比,研究新型制备方式制备的WC过渡层对DLC薄膜组织形貌及机械性能影响。主要研究内容如下:采用非平衡磁控溅射的方式制备Cr C过渡层。结果发现,当乙炔进气量为55sccm时,Cr C薄膜的碳铬原子比达到1:1,薄膜的硬度达到最高,同时DLC薄膜的整体韧性及耐磨擦性能也达到最优;当Cr C薄膜厚度为0.815μm时,DLC薄膜同时具备高的承载力及优异的界面结合强度;当Cr C过渡层制备偏压达到100 V时,Cr C过渡层DLC薄膜具有优异的综合力学性能。通过周期性得控制乙炔气体的流量,制备(Cr/Cr C)x多层结构薄膜。多层结构细化过渡层晶粒,提高表层与DLC结合层的强度,当调制周期为175 nm时,薄膜硬度达到13.678 GPa,相对于单一Cr C过渡层DLC薄膜,(Cr/Cr C)x多层结构过渡层DLC薄膜在承载能力及耐磨性上有大幅提升。选用中毒点较高的WC靶材,采用PACVD复合PVD工艺制备WC过渡层,相比于传统方法,过渡层致密硬度高,达到17.721 GPa,韧性提高,且成功实现界面层处深度的结构过渡,界面处过渡平滑无间隙,WC过渡层DLC薄膜的整体结合强度增加,即使在高压应力及切应力的摩擦环境下,薄膜也保持了极高的稳定性。本论文选用大型工业设备,利用PACVD方法制备类金刚石薄膜,同时添加过渡层提高DLC膜基结合强度,研究Cr C过渡层的制备参数及多层结构对DLC薄膜整体机械性能的影响,并提出新型的WC过渡层制备方式,为获得低成本、适宜大规模生产且综合性能优异的类金刚石薄膜提供了新的思路。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383.2
【部分图文】：

示意图,碳材料结构,sp3键,示意图

碳材料结构示意图

三元相图,三元相图,无定形碳

- 2 -图 1-2 sp3-sp2-H 三元相图[12]共同组成，不同键之间交叉连接，共同构成无定型碳网络。依据素组成，可以分为不含氢类 DLC 和含氢类 DLC[13-15]。图 1-2，不含氢的 DLC 包括： ①四面体无定形碳，即 ta-C；②类石即 GLC[14]。含氢 DLC 分为下面几种：①类聚合物氢化无定形碳（P刚石氢化无定形碳（DLCH）；③氢化四面配位无定形碳( ta-C:H)，常及石墨的性能如表 1-1 所示。常，DLC 内的成键类型及含量，还有微结构等直接决定着薄膜的表性能。对类金刚石薄膜而言，sp3和 sp2含量占比情况都会影响到学性质及力学性能。制备 DLC 薄膜的同时，通过控制沉积方法、沉，改变 DLC 膜中的碳结构，进而可控制薄膜的机械性能。

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- 5 -图 1-3 类金刚石涂层制备方式原理图a）离子束溅射沉积[23]；b）离子束辅助沉积[24]；c）脉冲激光沉积[27]；d）磁过滤阴极弧沉积[29]；e）磁控溅射原理图[32]；f）等离子增强化学气相沉积[33]成正交电磁场，对靶材表面的电子起到约束作用，近靶材表面的电子在库仑力与洛伦兹力的共同作用之下，在靶面做往复运动，形成一条明亮的环形跑道，从而提高了电子的利用率，提高了靶材的溅射速率和离化率，成膜质量也大大提高。Amanov 等[30]采用直流磁控溅射制备表面光滑的 DLC 薄膜，在氩离子氛围内溅射纯石墨靶，得到厚度约为 1 μm 的不含氢的 DLC 薄膜。基底偏压设置为 200 V至 300 V。氩气分压为 1 Pa。采用磁控溅射方法溅射碳，广泛的用于制备 CNx涂层用作磁存储介质表面极薄的保护层，氮元素以氮气的形式引入到反应磁控溅射过程之中。Choudhury 等[31]表明了这些涂层在矫形基底上的应用，如氧化锆，可以有

【参考文献】