铜铬共掺杂类金刚石碳基薄膜的制备、结构与物性研究

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	铜铬共掺杂类金刚石碳基薄膜的制备、结构与物性研究
	孙丽丽
刊名	中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所)
	2017
页码	137
关键词	类金刚石薄膜铜铬共掺杂微结构残余应力性能调控
产权排序	中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所)
英文摘要	类金刚石(diamond-like carbon,DLC)薄膜因具有类似于金刚石的高硬度、耐磨、耐蚀、高透过率等诸多优点,在航空航天、机械、生物医药等领域展现出广泛的应用前景。但其残余应力大、韧性低、亲水、摩擦多环境适应性差等问题,严重阻碍了DLC薄膜工业发展进程。金属掺杂被证实是降低DLC薄膜残余应力非常有效的方法,且对改善DLC薄膜的摩擦和疏水特性也有积极作用。因此,针对目前单一金属元素掺杂无法满足苛刻服役环境中对材料高硬度、低应力、强耐磨等综合性能的需求瓶颈,本文基于前期计算结果提出多元金属掺杂协同改善薄膜综合性能的设计思路,通过离子束混合磁控溅射沉积方法,首次开展Cu/Cr共掺杂DLC薄膜材料体系的结构设计、工艺制备和性能的系统研究,建立薄膜微结构对应力、力学、摩擦及润湿特性的影响规律,重点揭示内应力降低和高硬度维持的协同作用机制,并探索了该薄膜体系在不锈钢、高速钢等基材上的应用。本文首先通过改变溅射电流研究了不同Cu/Cr掺杂含量对DLC薄膜结构和性能的影响。结果表明:随着金属掺杂含量的增加,薄膜残余应力和硬度先降低后增加,在Cu、Cr掺杂含量分别为11.88 at.%和6.57 at.%时,薄膜获得内应力0.89 GPa、硬度13.44 GPa和接触角103.6°的综合性能,通过Cu/Cr协同作用,不仅可形成大量晶界的纳米晶/非晶复合结构,通过晶界扩散或滑移释放薄膜内应力,而且能够减小C原子之间的键长畸变,抑制内应力的积聚。同时,硬质碳化铬纳米颗粒的形成也有利于薄膜硬度的提高,但会损伤薄膜的摩擦性能。此外,薄膜表面粗糙度及表面石墨化和Cu的氧化物的形成使薄膜实现由亲水到疏水的转变。通过对薄膜进一步进行550℃不同时间的热处理,调控了表面Cu纳米颗粒的尺寸和密度,当热处理时间为40 min时,薄膜接触角大幅提高到129.9°,薄膜在水环境下的摩擦性能也得到了明显改善。其次,为了进一步提高薄膜的机械性能和摩擦性能,通过沉积温度和Ar/C_2H_2气体流量比的调控,优化薄膜在微量金属掺杂范围内的综合性能。结果发现:在沉积温度为200℃时,Ar/C_2H_2气体流量比的降低提高了薄膜硬度和耐磨性,并在气体流量比为68/12时,获得了内应力0.99 GPa、硬度25.9 GPa、摩擦系数0.17、磨损率1.12×10~(-16) m~3/Nm的优异综合性能。薄膜形成了表面富碳层和界面富金属层/富碳层交替的自组织分层结构,促进薄膜获得低应力、高硬度。同时,在摩擦接触面形成了完整、致密的富碳转移膜,使得薄膜能够获得优异的低摩擦和高耐磨性能。此外,薄膜在油、水、干摩擦等多种环境中均表现出良好的摩擦自适应性。进一步,基于对Cu/Cr金属掺杂含量、掺杂比例的调控,研究了Cu/Cr共掺杂对薄膜内应力、硬度的作用机制。结果发现:根据金属掺杂含量的不同,薄膜可分为非晶碳特性区、过渡区和金属特性区三个区域。在非晶碳特性和金属特性区域,薄膜内应力和硬度相互制约。在过渡区时,薄膜中Cu以金属Cu及其氧化物纳米相形式存在,Cr以固溶原子和一定的Cr-C相形式存在,薄膜的内应力和硬度之间不存在直接的制约关系,是实现Cu/Cr-DLC薄膜的低应力、高硬度的关键。最后,本文探索了Cu/Cr共掺杂DLC薄膜在金属材料的表面强化应用技术。以单一金属掺杂DLC薄膜的膜层结构设计为基础,进一步通过软/硬多层结构设计,优化筛选出高金属掺杂DLC薄膜/低金属掺杂DLC薄膜/纯DLC薄膜的多层结构,在高速钢、不锈钢、Si片上获得厚度1.73μm、膜基结合力>45 N、硬度27.1 Gpa、应力1.0 GPa、摩擦系数0.1左右、磨损极小的DLC薄膜,并探索了其在关键传动部件不锈钢丝杆及铜加工用抱钳产品上的应用。
公开日期	2018-12-04
内容类型	期刊论文
源URL	[http://ir.nimte.ac.cn/handle/174433/16690]
专题	2017专题
推荐引用方式 GB/T 7714	孙丽丽. 铜铬共掺杂类金刚石碳基薄膜的制备、结构与物性研究[J]. 中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所),2017:137.
APA	孙丽丽.(2017).铜铬共掺杂类金刚石碳基薄膜的制备、结构与物性研究.中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所),137.
MLA	孙丽丽."铜铬共掺杂类金刚石碳基薄膜的制备、结构与物性研究".中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所) (2017):137.