高功率脉冲磁控溅射制备类石墨非晶碳膜的研究

【摘要】：类石墨非晶碳薄膜(Graphite-like carbon,GLC)具有优良的自润滑性、高承载能力和高耐磨性等优点,在刀具、模具和航空航天等领域具有非常广阔的应用前景。然而,目前制备薄膜主要是利用普通直流磁控溅射的方法,溅射出来的粒子大多是以原子形态存在,制出的薄膜性能较差。高功率脉冲磁控溅射技术(High power impulse magnetron sputtering,HIPIMS),以其较高的离化率,不含大颗粒,所制备的薄膜均匀致密,性能优异等特点成为国内外科研工作者关注的焦点。本文采用HIPIMS系统制备了GLC薄膜,HIPIMS电源采用直流电路和脉冲电路相并联的模式的高功率复合脉冲磁控溅射电源,研究了不同沉积工艺对GLC薄膜微观结构和力学性能的影响,并重点分析了沉积工艺对摩擦学行为的作用规律。相关结果为可控制备高质量GLC薄膜,并促进其在摩擦学领域的广泛应用提供了理论依据和技术基础。 结果表明：随着直流电流的增大,dc-MS GLC薄膜sp2含量增大,HIPIMSGLC薄膜sp2含量先减小后增大,在相同电流情况下,叠加HIPIMS技术与dc-MS技术相比史有利于制备高sp2含量GLC薄膜,并且叠加HIPIMS技术制备的高sp2含量GLC薄膜摩擦系数和磨损率低于dc-MS制备的GLC薄膜。 随着脉冲电压的增大,GLC薄膜sp2含量先减小后增大,薄膜的摩擦系数光增大后降低,在脉冲电压为900V时薄膜sp2含量最低,对磨球的转移膜中有H元素的存在,这是由于在摩擦的过程中薄膜中悬键与空气中的水蒸气发生反应造成的。 随着基底偏压的增大,GLC薄膜中sp2含量先减小后增大,硬度先减小后增大,薄膜的致密性随着基底偏压的增大而增大。GLC薄膜在水和油环境下由于有液体润滑的作用,摩擦系数和稳定性都优于大气环境下。基底偏压为-50V GLC薄膜由于致密性较低在水环境下的磨损率大于大气环境下,基底偏压为-200VGLC薄膜由于高致密性可以有效阻l止水分子的侵入,在水环境下磨损率低于大气环境下。在油环境中,由于可以形成连续有效的油润滑膜,GLC薄膜磨损率低于在大气和水环境下的磨损率。