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复合类金刚石薄膜的制备及其摩擦性能研究

王云锋  
【摘要】:本研究针对类金刚石碳(DLC)膜摩擦学性能在高真空环境中表现差的问题,通过等离子体增强化学气相沉积与磁控溅射相结合的方法制备了几种元素掺杂DLC薄膜以及MoS2/DLC复合薄膜,考察了各种工艺参数对薄膜组成、结构及其性能的影响,成功制备了在大气及高真空环境下均具有良好表现的固体润滑薄膜,并对不同环境下的超润滑机理进行了研究。主要结果如下: 1.考察了沉积参数对TiC/a-C:H碳膜结构的影响。结果发现,摩擦学性能优异的TiC/a-C:H薄膜在制备时其中频溅射功率应控制在2.0A左右,功率过高会使入射粒子能量过大,导致薄膜发生石墨化,致使其力学性能急剧下降。同时,气源中CH4/Ar比例最好控制在40/120左右;比值过小时,薄膜韧性较差,而比值过高时,靶中毒现象严重,靶原子难以被溅射出来,无法实现有效掺杂。对TiC/a-C:H薄膜进行金属元素掺杂时,其掺入量不应太大,金属原子溶解在碳膜骨架中而形成固溶体,不但保留了DLC薄膜固有的润滑性能,还提高了其力学性能。所制备薄膜在大气环境中摩擦性能优异,但高真空环境中寿命较短,只有600转左右。 2.利用磁控溅射技术,在高的H等离子体中制备了含氢DLC薄膜。该薄膜在大气环境具有优异的摩擦学性能。高真空环境中性能有所提高,达到900转左右,薄膜表面自由σ键的消除是DLC薄膜具有低摩擦磨损性能的关键。 3.利用磁控溅射技术实现Ti,Ag复合掺杂制备TiC(Ag)/a-C:H薄膜。该薄膜硬度有所降低,但韧性增强。同时在大气及高真空环境中均有较好的表现。大气环境中磨损率明显降低,高真空环境中摩擦寿命延长至1500转左右。主要因为薄膜表面低剪切应力的富Ag层,促使转移膜的生成,降低摩擦系数与磨损率。 4.软硬交替多层DLC/MoS2薄膜集合了硬质DLC薄膜的高耐磨性能和软质MoS2薄膜的高减摩性能,而且在高真空环境下摩擦寿命超过30万转,摩擦系数低至0.001。该薄膜在大气和真空中具有非常优异的摩擦学性能,其作为润滑材料在高技术领域将显示出巨大的应用前景和价值。


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