DLC基固體潤滑復合薄膜制備及性能表征.pdf

1、類金剛石(DLC)薄膜因其諸多獨特的性能，包括高硬度、低摩擦系數(shù)、高電阻率、高熱導率、良好的化學穩(wěn)定性和突出的抗腐蝕能力等優(yōu)點，已經(jīng)在機械、信息技術、航空航天、光學和醫(yī)學等方面得到了廣泛應用。近來，DLC薄膜的復合化與多功能化逐漸成為研究熱點。本文結合航空航天需要，旨在探索類金剛石基固體潤滑復合薄膜的制備與性能表征。 采用等離子體增強磁控濺射法成功制備了WxC及WS2引入的類金剛石基固體潤滑復合薄膜。通過原子力顯微鏡、掃描電鏡(

2、能譜儀)、透射電鏡、拉曼光譜儀、納米壓痕硬度測試、膜基結合力測試和摩擦系數(shù)測試考察了沉積總氣壓(Pt)、直流沉積偏壓(Ud)、WS2靶濺射功率(Pws2)等工藝參數(shù)對薄膜性能的影響。 結果表明：采用磁控濺射法制備的復合薄膜也具有典型的類金剛石結構肩峰特征，但WS2和WxC的引入使薄膜復合化之后引起sp3鍵含量一定程度的下降；改變沉積偏壓(Ud)，可改變沉積速率和沉積粒子的能量，進而控制薄膜中sp3鍵，在Ud=-200V時，復合薄

3、膜有最高含量sp3鍵。復合薄膜主要以層狀方式長大，WS2和WxC顆粒則島狀生長，尺寸約300nm。元素W主要以WC、單質W和WO3的形式存在。 復合薄膜的力學性能隨沉積參數(shù)變化較大，硬度和彈性模量隨沉積總氣壓以及沉積偏壓的絕對值都先增大后減小，隨WS2靶濺射功率先減小后增大再降低，在Pt=0.38Pa，Ud=-200V，Pws2=160W下可獲得最高的納米硬度(約7.5GPa)和彈性模量(約125GPa)；Pt=0.38Pa，U

4、d=-200V下復合薄膜還有最優(yōu)的膜基結合性能，此時薄膜脫落的臨界載荷接近80N。 WS2和WxC的引入使薄膜復合化之后導致薄膜大氣下摩擦行為變?yōu)椴环€(wěn)摩擦，磨合期顯著延長到500秒左右，穩(wěn)定摩擦系數(shù)升高幅度超過70％；穩(wěn)定摩擦系數(shù)隨沉積偏壓的絕對值的增大先稍微降低，再逐漸增大，隨WS2靶濺射功率的增大變化不大。在Ud=-200V，Pws2=160W下有最低約0.04的大氣下穩(wěn)定階段摩擦系數(shù)且穩(wěn)定對磨時間超過35min。真空中摩擦

5、系數(shù)高于大氣下數(shù)值且即時值跳躍幅度較大，Ud=-100V，-200V沉積偏壓時最低約0.14。真空中穩(wěn)定摩擦系數(shù)隨沉積總氣壓的增大先減小再增大，類金剛石(DLC)薄膜因其諸多獨特的性能，包括高硬度、低摩擦系數(shù)、高電阻率、高熱導率、良好的化學穩(wěn)定性和突出的抗腐蝕能力等優(yōu)點，已經(jīng)在機械、信息技術、航空航天、光學和醫(yī)學等方面得到了廣泛應用。近來，DLC薄膜的復合化與多功能化逐漸成為研究熱點。本文結合航空航天需要，旨在探索類金剛石基固體潤滑復合

6、薄膜的制備與性能表征。 采用等離子體增強磁控濺射法成功制備了引入WxC及WS2顆粒的類金剛石基固體潤滑復合薄膜。通過拉曼光譜儀、X射線衍射儀、X射線光電子能譜儀、原子力顯微鏡、掃描電鏡(能譜儀)、透射電鏡、納米壓痕力學測試、膜基結合力測試和摩擦系數(shù)測試考察了沉積總氣壓(Pt)、直流沉積偏壓(Ud)、WS2靶濺射功率(Pws2)等工藝參數(shù)對薄膜性能的影響。 結果表明：采用磁控濺射法制備的復合薄膜也具有典型的類會剛石結構肩峰

7、特征，但WS2和WxC的引入使薄膜復合化之后引起sp3鍵含量一定程度的下降；改變沉積偏壓(Ud)，可改變沉積速率和沉積粒子的能量，進而控制薄膜中sp3鍵，在Ud=-200V時，復合薄膜有最高含量sp3鍵。復合薄膜主要以層狀方式長大，WS2和WxC顆粒尺寸約300nm。元素W主要以WC、單質W和WO3的形式存在。 復合薄膜的力學性能隨沉積參數(shù)變化較大，硬度和彈性模量隨沉積總氣壓以及沉積偏壓的絕對值的增大都先增大后減小，隨WS2靶濺

8、射功率先減小后增大再降低，在Pt=0.38Pa，Ud=-200V，Pws2=160W工藝參數(shù)下復合薄膜有最高的納米硬度(約7.5GPa)和彈性模量(約125GPa)；Pt=0.38Pa，Ud=-200V下復合薄膜還有最優(yōu)的膜基結合性能，此時薄膜脫落的臨界載荷接近80N。 WS2和WxC的引入使薄膜復合化之后導致薄膜大氣下摩擦行為變?yōu)椴环€(wěn)摩擦，磨合期顯著延長到500秒左右，穩(wěn)定摩擦系數(shù)升高幅度超過70％；穩(wěn)定摩擦系數(shù)隨沉積偏壓的絕

9、對值的增大先稍微降低，再逐漸增大，隨WS2靶濺射功率的增大變化不大。在Ud=-200V，Pws2=160W下有最低約0.04的大氣下穩(wěn)定階段摩擦系數(shù)且穩(wěn)定對磨時間超過35min。復合薄膜真空中摩擦系數(shù)高于大氣下數(shù)值且即時值跳躍幅度較大，Ud=-100V，-200V沉積偏壓下最低約0.14。真空中穩(wěn)定摩擦系數(shù)隨沉積總氣壓的增大先減小再增大，Pt=0．38Pa及0.21Pa與Ud=-200V工藝參數(shù)配合下可獲得相對最低，約0.14的穩(wěn)定摩