含钛非晶碳薄膜的制备、组织结构与性能

【摘要】：本文分别采用脉冲激光沉积、磁控溅射和非平衡磁控溅射方法制备了含钛非晶碳薄膜和纳米多层膜,研究探索了薄膜组织结构和机械性能的变化规律与内在机理。 1)采用脉冲激光沉积制备了a-C薄膜和a-C/Ti纳米多层膜,正交设计优化了工艺参数,并研究了a-C薄膜的组织结构和机械性能之间的相互关系。激光通量增大使a-C薄膜中sp3碳含量提高、内应力增大、硬度增加。薄膜厚度和内应力影响结合力,翘曲和剥落的薄膜中应力释放,促进结构弛豫,导致sp3碳含量减少和硬度剧减。激光通量越大,该变化越剧烈。 研究了a-C/Ti纳米多层膜的组织结构和机械性能。纳米多层结构减小了薄膜的内应力、提高了界面结合力。多层膜中碳和钛呈非晶结构,sp3碳含量和硬度高于结构弛豫的a-C薄膜(相同的激光通量)。钛—碳梯度过渡层结构增强了薄膜与基体的界面结合力。lTi=2.1-4.1 nm的a-C/Ti纳米多层膜具有良好的减摩耐磨性。 2)采用磁控溅射沉积了a-C/TiN纳米多层膜。a-C/TiN纳米多层膜的硬度随周期厚度的减小(或界面的数量增加)而减小。a-C/TiN纳米多层膜的磨损率高于TiN薄膜,并随周期厚度增大而持续升高。结合在W/NbN超晶格薄膜中发现的耐磨性因界面而削弱的现象,认为a-C/TiN界面的弱剪切抗力是导致纳米多层膜耐磨性降低的主要因素。 设计了lC=10 nm、lTi=0.6～10 nm和lTi=lC=20 nm的a-C/Ti纳米多层膜,其中lTi≥3 nm起具有层状结构。a-C/Ti纳米多层膜的显微组织为Ti溶入a-C基相中,形成纳米簇状结构,导致sp3碳含量和硬度降低。纳米多层膜的内应力随lTi增大而持续下降,并在lTi=10 nm时最小,界面结合力的变化则相反。lTi=1.5 nm的a-C/Ti纳米多层膜(纳米复合结构)在不同载荷、滑动速率下均有优异的减摩耐磨性能。 3)采用非平衡磁控溅射制备含0～15.2 at.% Ti、厚度1.5μm的a-C薄膜。其中纯a-C薄膜的硬度达50.2 GPa, sp3碳含量35.1%,内应力-3.4 GPa。Ti掺杂改变a-C薄膜的组织结构,a-C薄膜的sp3碳含量、内应力和硬度随着钛含量增加而持续下降。 纯a-C和Ti含量不高于3.1 at.%的a-C薄膜在Hanks'溶液中有良好的耐电化学腐蚀性能,但含15.2 at.% Ti的a-C薄膜存在裂缝腐蚀。含钛非晶碳薄膜在干摩擦和Hanks'溶液润滑条件下的摩擦系数分别为0.11～0.14和0.04～0.078,均随着钛含量的增加而上升。在Hanks'溶液中,含钛非晶碳薄膜的低摩擦系数是由于非晶碳的自润滑和液体边界润滑共同作用的结果。含3.1 at.% Ti的a-C薄膜在两种摩擦环境下的磨损率均最小。