纳米复合含氢非晶碳薄膜的制备、结构与性能研究

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题名	纳米复合含氢非晶碳薄膜的制备、结构与性能研究
作者	刘小强
学位类别	理学博士
答辩日期	2013-06-01
授予单位	中国科学院大学
导师	梁永民 ; 刘维民
关键词	磁控溅射含氢非晶碳薄膜掺杂技术纳米结构超低摩擦 Magnetron sputtering Hydrogneated amorphous carbon film Doping technique Nanostructure Superlow friction
学位专业	物理化学
中文摘要	通过对非晶碳薄膜复合化的设计和构思，利用射频磁控溅射技术制备了纳米结构的 TiC/a-C:H 和(Si,Al)/a-C:H 系列薄膜。考察了制备条件对薄膜组成、结构及性能的影响，研究了薄膜微结构与力学、摩擦学性能之间的联系。主要研究结果如下： 1.通过调节甲烷流量，得到具有不同微结构的TiC/a-C:H纳米复合薄膜。在低甲烷流量时所沉积的薄膜结构致密，力学及摩擦学性能良好。在甲烷流量为8sccm 时，通过 TEM 首次观察到一种自发形成的、由 TiC 纳米颗粒构成的不连续层状结构的TiC/a-C:H薄膜；SEM 分析表明，由于非晶碳相的包裹覆盖，这种不连续的层状结构在外部形貌呈现纳米球状堆积结构。具有这种特殊结构的TiC/a-C:H薄膜表现出优异的力学及摩擦学性能。 2.(Si, Al)/a-C:H 薄膜的结构和摩擦学性能受 Si 和Al 两种元素的共同调控，且两种元素对薄膜中碳原子化学键的杂化调控呈相反作用，即Si 促进sp³ 杂化碳含量形成，而 Al 则反之；Si、Al 的引入可显著改善薄膜的力学及摩擦学性能，当Si、Al 两种元素含量分别约为1.6 at. %和0.9 at. %时，薄膜在相对湿度约为30%的大气环境中其摩擦系数低至0.0085，且此时薄膜的抗磨损性能良好。 3.(Si, Al)/a-C:H薄膜的结构和性能受基底负偏压和温度的显著影响。随着基底偏压和温度的增大，薄膜中sp² 杂化碳原子含量增加；对比研究发现，在基底负偏压为200V下沉积的薄膜力学及摩擦学性能最佳；基底温度的升高虽然有利于薄膜的润滑性能的提升，但不利于薄膜抗磨损性能的提高。 4.通过拉曼光谱和 TEM 的分析首次发现了一种由聚合物网状与类富勒烯共同构成的双重纳米结构化的(Si, Al)/a-C:H 薄膜，并且 Si、Al 两种元素的分布具有偏析现象，即它们主要分布于纳米网络结构的间隙中。研究结果表明，Si和 Al 两种元素对双重纳米结构的形成具有诱导作用。该种薄膜表现出了极高的弹性恢复性能，弹性恢复率高达95%，且在高真空环境中表现出超润滑（超低摩擦）现象，摩擦系数低至0.001，磨损率约为5.8×10^-8 mm³ /(N·m)。
公开日期	2014-04-30
内容类型	学位论文
源URL	[http://210.77.64.217/handle/362003/5531]
专题	兰州化学物理研究所_固体润滑国家重点实验室
推荐引用方式 GB/T 7714	刘小强. 纳米复合含氢非晶碳薄膜的制备、结构与性能研究[D]. 中国科学院大学. 2013.