类金刚石膜的制备及应用

介绍了类金刚石膜DLC的形成原理、制备方法和发展现状,总结了DLC在机械、电子、声学、光学和医学等领域的应用状况以及存在的问题。     

磁控溅射DLC/SiC/Ti多层膜对镁合金摩擦磨损性能的影响

采用室温磁控溅射技术在镁合金(AZ91D)表面制备DLC/SiC/Ti(类金刚石/碳化硅/钛)多层膜(SiC,Ti为中间层),研究了薄膜的纳米压痕行为和膜基系统的摩擦磨损性能.试验结果表明:DLC薄膜具有低的纳米硬度(4.01GPa)和低的弹性模量(40.53GPa),但具有高的硬弹比(0.10);膜基系统具有好的摩擦磨损性能;在以氮化硅球为对磨件的室温干摩擦条件下摩擦系数平均约为0.19,与镁合金相比,磨损速率低了约三个数量级,膜基系统经3.5h磨损后,未出现裂纹和剥落,显著改善了镁合金的抗磨损性能.     

航空轴承表面合成DLC薄膜的结构特征和滚动-接触疲劳物理模型

利用等离子体浸没离子注入与沉积（PIIID）复合强化技术,在AISI440C航空轴承钢表面合成了类金刚石碳（DLC）薄膜。Raman光谱分析揭示出所制备的DLC膜层主要是由金刚石键（sp³）和石墨键（sp²）组成的混合无定形碳膜,且sp³键含量大于10%。原子力显微镜（AFM）形貌表明,DLC膜层表面光滑,结构致密均匀,与基体结合良好。被处理薄膜试样在90%置信区间下的疲劳寿命L₁₀,L₅₀,特征疲劳寿命L_a和平均寿命较基体分别延长了10.1,4.2,3.5和3.6倍。ANSYS模拟结果显示,最大剪切应力出现在膜基结合处并且靠近膜层内部,最大值达到2 150 MPa。结合ANSYS模拟结果和扫描电镜（SEM）观察形貌分析发现,膜层内部存在的微观缺陷是滚动接触疲劳裂纹产生的诱因,循环载荷所形成的最大剪切应力和润滑油中污染颗粒的共同作用是疲劳磨坑最终形成的外在动力。建立了循环载荷条件下PIIID DLC/AISI440C轴承接触疲劳破坏的5阶段物理模型。     

类金刚石薄膜的微/纳米机械和摩擦性能

采用真空磁过滤等离子电弧沉积的方法在9Crl8钢上沉积不同厚度的DLC膜。为了检测成膜质量，在较宽的载荷范围内分别使用显微硬度、纳米压痕和划痕技术表征9Crl8钢和DLC／9Crl8的机械和摩擦性能。结果显示，9Crl8和DLC的纳米硬度和弹性模量分别为8GPa、250GPa和60GPa、600GPa，9Crl8、DLC和有机膜的摩擦系数分别为0．35、0．20和0．13。纳米压痕和划痕技术能为DLC／9Crl8提供丰富的近表面弹塑性变形和摩擦、磨损等信息。DLC／9Crl8的机械和摩擦性能的研究可以用来评估膜的承载和抗磨损性能。     

沉积含Si过渡层对于不锈钢上沉积的DLC薄膜的性能影响

本文介绍了采用RF-PECVD法在3Cr13不锈钢基体圆片上沉积制备类金刚石多层膜,其内层薄膜为掺Si的过渡层,外层为不同厚度的在50～1000 nm之间的类金刚石薄膜（DLC）。实验结果表明沉积过渡层可以有效提高薄膜与基体的结合力。类金刚石薄膜的摩擦系数和薄膜在摩擦过程中的损坏情况都与外层薄膜的厚度有关。     

DLC 和CrN 薄膜在油润滑下的摩擦性能

采用闭合场非平衡直流磁控溅射技术和阴极电弧离子镀技术在轴承钢表面分别制备了DLC 和

CrN 薄膜,在全配方发动机油(CF-4,15W/40)润滑条件下,选择DLC/ 钢、CrN/ 钢摩擦配副,用SRV-IV 摩擦实

验机考察了25℃和100℃时DLC 与CrN 薄膜在不同载荷下的摩擦因数和磨损率,并对摩擦界面进行分析。结

果表明:DLC 和CrN 薄膜在油润滑条件下的摩擦因数都随着载荷的增加而降低;DLC 和CF-4 构成的固液复合

润滑体系具有更加优异的摩擦学性能;活性较高的CrN 薄膜与发动机油中的添加剂相互作用,在摩擦界面上

发生摩擦化学反应形成摩擦化学反应膜,并且薄膜表面形成的氧化层有利于提高薄膜在高温时的耐磨性。

     

金属掺杂类金刚石薄膜研究进展

类金刚石薄膜(DLC)因具有优异的力学性能和摩擦学性能而受到广泛关注,但内应力高、热稳定性差等问题制约了它的应用和发展。将适量的金属掺入DLC薄膜中,由于金属与碳的键合作用不同,掺杂后形成的纳米晶或纳米金属碳化物颗粒具有高的活性,增加了晶界滑移,改善了薄膜结构,进而提高了薄膜的力学性能和摩擦学性能,为薄膜的应用和发展提供了新思路。对目前金属掺杂DLC薄膜的研究进行了综述,提出了未来一段时间内金属掺杂DLC薄膜的发展趋势。     

半球零件的磁力装夹检测装置分析

半球零件是一种电机轴承用半球型偶件,其表面镀制TiN膜层和TiN+DLC膜层,其球面轮廓度及尺寸精度直接决定了电机的精度和寿命.传统的半球零件检测方法通常利用紧固螺钉来对其进行固定,并用螺丝刀手动实现零件的松动锁紧,装夹费时、费力且效率低下.针对这一问题,设计了一种新的磁力装夹装置,利用磁力吸附作用来对半球零件进行装夹...     

溅射工艺对D/M/D结构中SiN_x介质膜光学常数的影响

采用射频反应溅射制备SiNx薄膜,作为以Ag膜为功能层的D/M/D结构透明导电膜中的电介质膜,并研究射频功率、气压以及N2流量对SiNx薄膜光学常数的影响。结果表明,SiNx薄膜具有非晶态结构,光学常数在300~2500nm波长范围内符合正常色散关系。椭偏测试及Cauchy模型拟合结果表明,折射率随功率、气压以及N2流量升高而降低,SiNx光学常数最佳的工艺条件为功率300W,气压0.16Pa,N2与Ar流量比例1∶1,此时薄膜折射率为2.02,消光系数为0,最接近具有化学计量比的Si3N4薄膜的光学常数。按此工艺制备的Si Nx膜在优化厚度为44nm的条件下作为20nm厚度Ag膜的电介质膜,当只有表面SiNx膜时,Ag膜透光率由29.17%提高至55.01%,当Ag膜上下均制备SiNx膜时,透光率进一步提高至66.12%。     

膜层厚比对CrN_x/Ti_yCr_(1-y)N多层膜硬度与结合力影响研究

为研究膜层交替周期对多层膜表面硬度与耐磨性能的影响,利用金属蒸发真空弧离子源(MEVVA)和磁过滤阴极真空弧复合离子束沉积技术在AM355钢材表面制备膜层交替周期分别为5、13和26的3组CrN_x/Ti_yCr_(1-y)N膜层,利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)和X射线衍射仪(XRD)对膜层形貌和相结构进行了分析,利用划痕仪、显微硬度计等对膜层硬度与结合力进行了测试。结果表明:采用该技术制备的CrN_x/Ti_yCr_(1-y)N多层膜结构致密,与基体结合良好;随着多层膜交替周期的增加,膜层硬度有所降低,膜层结合力则呈现先升高后缓慢降低的趋势。     

Fabrication of Diamond-like Carbon Films by Ion Assisted Middle Frequency Unbalanced Magnetron Sputtering

Diamond-like carbon (DLC) films are deposited by the Hall ion source assisted by the mid-frequency unbalanced magnetron sput-tering technique. The effects of the substrate voltage bias, the substrate temperature, the Hall discharging current and the argon/nitrogen ratio on the DLC film’s performance were studied. The experimental results show that the film’s surface roughness, the hardness and the Young’s modulus increase firstly and then decrease with the bias voltage incrementally increases. Also when the substrate temperature rises, the surface roughness of the film varies slightly, but its hardness and Young’s modulus firstly increase followed by a sharp decrease when the temperature surpassing 120 ℃. With the Hall discharging current incrementally rising, the hardness and Young’s modulus of the film decrease and the surface roughness of the film on 316L stainless steel firstly decreased and then remains constant.     

IBAD法沉积TiN薄膜的机械和耐腐性

用离子束辅助沉积(IBAD)方法在医用不锈钢317L基底上沉积TiN陶瓷薄膜。通过X射线衍射(XRD)和俄歇电子能谱(AES)分析研究了薄膜的微结构；测试了薄膜的耐磨性及薄膜与基底的附着力：运用电化学腐蚀的方法检测了薄膜在Hank’s模拟体液中的耐腐蚀性能。研究结果表明：用高、低能氮离子束兼用的IBAD方法沉积TiN多晶薄膜后，材料表面结构和性能发生明显改变。表面硬度和耐磨性有明显提高，在Hank’s模拟体液中显示出更强的抗腐蚀能力。     

过滤式阴极电弧沉积类金刚石薄膜的特性分析

利用自行研制的过滤式阴极电弧沉积装置,在硅片和高速钢基体材料上获得了类金刚石薄膜,分别采用扫描电镜、原子力显微镜、喇曼光谱以及磨损实验等手段对薄膜进行了分析研究。结果表明,所获得的类金刚石薄膜为非晶态,sp3含量最高达70%;基体材料对成膜质量影响较大,在硅片上薄膜的摩擦系数可达0.08;同时偏压的变化会引起喇曼谱线中D峰和G峰位置向低频移动,半高宽σG增大、σD减小。     

Luminescent Nanocrystalline Silicon Carbide Thin Film Deposited by Helicon Wave Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition

Hydrogenated nanocrystalline silicon carbide (SiC) thin films were deposited on the single-crystal silicon substrate using the heli-con wave plasma enhanced chemical vapor deposition (HW-PECVD) technique. The influences of magnetic field and hydrogen dilution ratio on the structures of SiC thin film were investigated with the atomic force microscopy (AFM), the Fourier transform infrared ab-sorption (FTIR) and the transmission electron microscopy (TEM). The results indicate that the high plasma activity of the helicon wave mode proves to be a key factor to grow crystalline SiC thin films at a relative low substrate temperature. Also, the decrease in the grain sizes from the level of microcrystalline to that of nanocrystalline can be achieved by increasing the hydrogen dilution ratios. Transmis-sion electron microscopy measurements reveal that the size of most nanocrystals in the film deposited under the higher hydrogen dilution ratios is smaller than the doubled Bohr radius of 3C-SiC (approximately 5.4 nm), and the light emission measurements also show a strong blue photoluminescence at the room temperature, which is considered to be caused by the quantum confinement effect of small-sized SiC nanocrystals.     

液压导管用不锈钢板材振动损伤研究

以导管用不锈钢1Cr18Ni9Ti板材为研究对象,对其在悬臂约束、一阶固有频率下的振动特性进行了研究。给出了1Cr18Ni9Ti板材的S-N曲线,材料的振动疲劳极限为218MPa。裂纹源位于试样表面,断口有疲劳纹存在,是典型的疲劳破坏。     

离子镀Ti(N,C)耐磨镀层成分与性能研究

 用空心阴极离子镀技术,在常用的不锈钢(1Cr18Ni9Ti)基材上,镀制Ti(N,C)耐磨镀层。对镀层的成分进行了分析,讨论了镀层成分的耐磨性,显微硬度和附着力的影响。通过对Ti(N,C)镀层与TiN和TiC镀层性能的对比,肯定了Ti(N,C)复合化合物镀层具有更优越的耐磨性和附着力。     

基于碳纳米管薄膜的复合材料层间增韧

通过浮动催化化学气相沉积法制备连续碳纳米管薄膜,并将其原位沉积到单向碳纤维织物表面,手工铺层后借助真空辅助树脂传递模塑成型（VARTM）工艺制备碳纳米管-碳纤维/环氧树脂复合材料层压板,研究不同面密度的碳纳米管薄膜对层压板Ⅱ型层间断裂韧性的影响。结果表明,随着碳纳米管薄膜面密度的增加,层压板Ⅱ型层间断裂韧性先逐渐提高,当碳纳米管薄膜面密度为9.64 g/m²时,层压板Ⅱ型层间断裂韧性最佳,与原始层压板相比提高了94%。碳纳米管通过桥接树脂裂纹、从树脂中拔出等方式提高层间断裂韧性。当碳纳米管面密度超过临界值时,会引起树脂浸润困难,导致增韧效果降低。     

离子束辅助沉积WS_2-Ti-Ag复合薄膜的摩擦性能

采用ZDH-100型号离子束复合沉积设备沉积WS_2-Ti-Ag复合薄膜,基材为轴承钢和单晶硅(100).采用场发射扫描电子显微镜、XRD衍射仪,检测复合薄膜的表面形貌、微观结构.采用球-盘式摩擦磨损试验机,对复合薄膜在大气环境中的摩擦性能进行了研究.结果表明:采用离子束辅助沉积技术制备的WS_2-Ti-Ag复合薄膜是非晶态薄膜;并且随法向载荷的增加,复合薄膜的摩擦因数减小,摩擦状态越稳定,耐磨寿命越短.     

动态湿润与动态接触角的实验

利用精密步进电机、高速CCD图像采集系统、立体显微镜,采用液槽法测试硅酮油在玻璃、铝、不锈钢表面上的动态湿润行为。实验结果与前驱膜模型对比表明,无量纲参数λ在玻璃、铝和不锈钢表面上分别取值0.07,0.16和0.35时,二者吻合较好,表明动态接触角不仅是静接触角和毛细数的函数,也和固体表面性质有关。实验同时发现,对于低毛细数下成立的Hoffman-Voinov-Tanner定律(Cazabat推荐适用于CaD<1或θD<10°),直到动态接触角达到70°依然成立,用前驱膜模型可给出合理解释。