非平衡磁控溅射沉积类石墨碳膜结构及其摩擦学性能

利用非平衡磁控溅射技术在单晶硅基底上沉积了类石墨非晶碳膜。利用X射线光电子光谱、Ram an光谱、高分辨透射电子显微镜及原子力显微镜对沉积薄膜的微观结构进行了详细表征;利用纳米压痕仪和球盘摩擦试验机分别对其力学性能和摩擦学性能进行了测试。结果表明,当前制备的非晶碳膜中sp2杂化碳占主导呈现出类石墨特征,但薄膜硬度可达14.2 GPa。大气环境中的摩擦性能测试表明,所制备的类石墨非晶薄膜具有优异的摩擦学性能:其承载能力高达2.8 GPa,同时具有较低摩擦因数(~0.05)和磨损率(~10-11cm3/Nm)。类石墨碳膜优异的摩擦学性能主要归因于其独特的结构、较低的内应力及良好的热稳定性。     

磁控溅射沉积非晶碳膜微结构及电学性能

在单晶Si (100)基体上,采用闭合场非平衡磁控溅射方法沉积制备了导电非晶碳膜.X射线衍射(XRD)分析表明薄膜呈明显的非晶结构;用XPS分析了薄膜中的碳键结构,碳膜的C1s峰位于284～285 eV之间,Cls峰分峰拟舍得出sp2C的原子数分数为59％左右,碳键以sp2结构为主;四探针法测得薄膜的电阻率为1.32×...     

磁控溅射含Ti非晶碳膜的微观结构分析

用磁控溅射方法制备了含Ti 4at%,18at%,27at%的非晶碳膜.用XPS分析了含Ti 18at%碳膜的碳键结构、化合物组成.结果发现:碳膜的C1s峰在284 eV附近,碳膜中sp2:sp3=14.6:6.3,sp2占明显优势,碳键结构以sp2为主;Ti2p谱的455.2 eV处的峰对应TiC,说明形成了TiC.用XRD对含Ti 4at%,18at%.27at%碳膜进行物相分析.结果发现:含Ti 18at%和27at%时,都存在TIC(111),TiC(200)和TiC(220)晶向,但27at%的Ti(111)取向更加明显;4at%时,没有发现TiC相.TEM的分析结果证明,含Ti 18at%的碳膜在非晶的基体上分布有TiC的颗粒.四点探针法(FPM)测定3种非晶碳膜的电阻率分布在9X 10-5～2X 10-4Ω.m之间,随着Ti含量的增加,电阻率减小.可以认定:磁控溅射制备的碳膜是碳键结构以sp2为主的非晶碳膜,加入一定量Ti后,在非晶的基体上形成Ti化合物的晶体颗粒.     

宁波材料所在类金刚石碳膜的应力调控研究方面取得进展

类金刚石薄膜材料（diamond—like carbon,简称DLC）作为一类非晶碳膜材料的统称,主要由sp3键（金刚石相）和sp2键（石墨相）的三维交叉网络混合而成,依制备方法不同可含有一定量氢,     

全方位离子注入与沉积类金刚石碳膜的结构与性能

用等离子体浸没离子注入与沉积(PIIID)复合强化新技术在AISI440C不锈钢表面制备了类金刚石(DLC)碳膜。膜层表面的原子力显微镜(AFM)形貌显示出DLC膜结构致密均匀。Raman光谱分析结果表明,制备的DLC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%。以纯石墨棒做阴极,C2H2为工作气体条件下合成的DLC薄膜中,sp3键含量总体上较单纯用石墨作阴极而无工作气体条件下合成的DLC薄膜中sp3键含量高。与基体相比,薄膜试样的显微硬度和摩擦磨损性能均得到了较大改善,最大硬度提高88.7%,磨损寿命延长超过4倍。     

不同Ti靶电流对Ti掺杂类石墨碳膜的结构和性能的影响(英文)

利用磁控溅射的方法成功制备Ti掺杂类石墨碳(Ti-GLC)膜。采用拉曼光谱、X射线光电子谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、纳米压痕仪和球盘式摩擦机分别表征不同Ti靶电流下制备的Ti-GLC膜的成分、结构和性能。随着Ti靶电流的增加,薄膜中sp2键的比率和Ti含量增加,同时薄膜的硬度和内应力也增大,但较高的Ti靶电流将会促使薄膜产生鳞片状结构从而使其变疏松。较少的Ti掺入量可以降低GLC膜的干摩擦因数,纯GLC膜在水润滑条件下的摩擦因数最低。在较低Ti靶电流下制备的Ti-GLC膜在干摩擦及水润滑条件下均具有较高的抗磨性能。     

类金刚石膜的性质和制备及应用

介绍了类金刚石膜的性能、制备方法以及应用.类金刚石膜(DLC)是由sp3键组态的碳和sp2键组态的碳混合组成的碳材料,由于具有与金刚石膜(DF)相似的性能--优异的光学特性、机械特性、电学特性和化学特性,同时现行制备方法(化学气相沉积,物理气相沉积等)相对容易实现,并且其产品已经应用到光学、医学、机械、电子等多个领域,因此引起人们极大兴趣.     

不同Ti含量类石墨碳膜干摩擦磨损性能研究

目的提高高速钢的干摩擦学性能,探究不同Ti含量掺杂对类石墨碳膜摩擦性能的影响。方法用非平衡磁控溅射离子镀技术制备了不同Ti含量的类石墨碳膜,用光学显微镜、扫描电子显微镜、Raman光谱、洛氏硬度计、纳米压痕仪等分析薄膜的微观结构和力学性能,用高速线性往复磨损试验机检测薄膜的干摩擦学性能,并用光学显微镜观察磨痕。结果制备的碳膜表面颗粒尺寸较小,断面致密,且逐渐趋向柱状结构。随着Ti靶溅射电流的增大,逐渐增加的Ti元素打断了sp~3键生长,薄膜中生成更稳定的sp~2键,且sp~2键含量先增大后减小,在0.8 A达到最大,溅射电流为1.1 A时,Ti元素含量最大,sp~2键和sp~3键都减少。碳膜与基体结合力随着Ti靶电流变大而先增大后减小,在0.8 A结合最佳,约为HF3级。硬度和弹性模量先减小后增加,0.8 A时达到最小。碳膜摩擦系数相比于原样都较低,在0.09~0.12之间。磨损率先增大后减小,维持在(5~15)×10~(-16) m~3/(N·m)左右。结论不同Ti含量的类石墨碳膜,能明显降低高速钢与钢球对磨的粘着磨损倾向,降低摩擦系数和磨损率。     

乙炔气改性类石墨涂层结构和性能研究

利用非平衡磁控溅射设备,在溅射制备类石墨碳膜(GLC)时,通入C_2H_2气体引入化学气相沉积(CVD)制备改性GLC。使用划痕仪,显微硬度计,摩擦磨损机,X射线衍射和X射线光电子能谱,对改性GLC进行性能和结构分析,并且和溅射GLC进行了对比。结果发现:添加C_2H_2后的碳膜,非晶结构没有发生变化,但是膜内sp~3键含量增加。改性GLC碳膜硬度有所增加,具有良好的结合强度,碳膜硬度和摩擦性能得到提高。     

低温热处理对Graphit-iC类石墨碳膜组织结构及耐磨性的影响

应用拉曼光谱(Raman)等测试方法分析了不同热处理温度对PVD技术制备的Graphit-iC类石墨碳膜涂层的组织结构、显微硬度、结合强度和磨损率的影响规律.结果表明:随温度升高,涂层发生sp3→sp2结构转变,相对强度比ID/IG增加,石墨化倾向增大;涂层磨损率在25～250℃温度区间内保持较低的水平,当温度继续上升后表面显微硬度及结合力降低,磨损率显著增大,耐磨性降低.     

Study on the Tribological Properties of Graphite-like Amorphous Carbon Film under Different Testing Conditions

Graphite-like amorphous carbon film was fabricated by unbalanced magnetron sputtering technique.Raman spectroscopy,atomic force microscopy(AFM)and tribometer were subsequently used to investigate the microstructure and tribological properties of the resultant film.It is found that the deposited carbon film is dominated by sp 2 sites,and the intensity ratio of the D and G peaks is as high as 4.0,which is one order of magnitude larger than that of diamond-like carbon films with high sp 3 content,indicating a more graphite-like structure.However,the as-deposited carbon film exhibits moderately high hardness(13.7 GPa),low internal stress(0.38 GPa)and superior tribological properties with high load bearing capacity(Hertz contact stress about 3.2 GPa)and low wear rate(2.73×10-10 cm3/N.m)in ambient atmosphere.Although it displays a poor wear resistance in water lubricated condition,a superior wear resistance is achieved in oil lubricated condition.Its inherent physical property,the formation of transfer layer and the friction induced chemical reactions may be commonly responsible for its tribological properties.     

刻蚀工艺对四面体非晶碳膜生长及其性能的影响

目的研究不同等离子体刻蚀工艺对基体和四面体非晶碳膜(ta-C)的影响,并进一步考察不同电弧等离子体刻蚀时间对ta-C薄膜结构的影响。方法采用自主设计研制的45°单弯曲磁过滤阴极真空电弧镀膜设备,进行不同等离子体刻蚀以及ta-C薄膜的沉积。使用等离子体发射光谱仪表征离子种类及其密度,使用椭偏仪表征薄膜厚度,原子力显微镜表征刻蚀后的基体粗糙度,拉曼光谱仪和XPS表征薄膜结构,TEM分析薄膜的膜基界面结构。结果辉光刻蚀工艺中,作用的等离子体离子以低密度的Ar离子为主;而电弧刻蚀时,作用的等离子体离子为高密度的Ar离子和少量的C离子,并且能够在基体表面形成约15 nm的界面层,并实现非晶碳膜(a-C)的预沉积。随电弧等离子体刻蚀时间增加,ta-C薄膜的sp3含量有所降低。结论相比于辉光刻蚀,电弧刻蚀利于制备较厚的ta-C薄膜。这主要是因为电弧刻蚀时,基体表面形成良好的界面混合层,并预沉积了非晶碳膜,形成a-C/ta-C的梯度结构,有助于增强膜基结合力。     

溅射靶功率对W-C:H薄膜结构与摩擦学性能的影响

目的研究不同溅射功率对W-C:H涂层结构与摩擦学性能的影响。方法用非平衡磁控溅射(UBMS)+等离子体增强化学气相沉积法(PECVD),以WC靶作为溅射靶,C2H2为反应气体,通过调制溅射靶功率,在316不锈钢与Si(100)基体上制备了W-C:H系列薄膜。通过场发射电镜(FESEM)、X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱对薄膜的微观结构和成分进行了表征。用UMT-3MT多功能摩擦机对薄膜的摩擦学性能进行了分析。结果 W-C主要以β-WC1-x纳米晶的形式均匀分布在非晶碳中,并表现出(200)面择优生长。随着溅射靶功率的上升,薄膜内W含量逐渐升高,(200)面衍射峰逐渐增强,sp2含量先降低后升高。靶功率在1.4 k W时具有较好的摩擦学性能,摩擦系数为0.15,磨损率为3.92×10-7 mm~3/(N·m)。结论随着溅射靶功率逐渐升高,柱状晶逐渐变粗,涂层的致密性逐渐降低,薄膜摩擦学性能与WC含量密切相关。     

类富勒烯/非晶多层碳膜的制备及性能

针对碳基薄膜存在的高应力问题,利用单极脉冲等离子体增强化学气相沉积技术在单晶硅衬底上制备了含氢类富勒烯/非晶层交替构成的类金刚石多层膜。采用高分辨透射电子显微镜和激光拉曼光谱仪分析了多层膜的结构特征;用X射线光电子能谱分析了薄膜的化学键状态;用纳米压痕仪测定了薄膜的硬度和弹性模量;在CSM往复式摩擦磨损试验机上考察了薄膜在大气下的摩擦学性能,同时比较了多层膜与非晶、类富勒烯薄膜的力学性能和摩擦磨损性能。结果表明:多层膜的硬度高于非晶和类富勒烯单层薄膜,达到28.78GPa;在大气环境下与Si3N4球对摩时平均摩擦因数略低于类富勒烯单层膜,耐磨性明显优于单层非晶和类富勒烯薄膜。     

射频辅助磁控溅射制备梯度Cr/CrC膜的性能

目的 改善CrC薄膜的制备工艺,提高薄膜的结合强度。方法 采用射频偏压辅助磁控溅射技术,以Cr和石墨为靶材,C2H2为反应气体,在M42高速钢表面制备梯度Cr/CrC膜。利用扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、Raman光谱仪分析薄膜的微观形貌、成分组成、键结构,用纳米压痕仪、洛氏硬度计对薄膜的结合性能进行评价。结果 成功制备了表面致密均匀的梯度Cr/CrC薄膜,薄膜中sp3键含量随石墨靶射频功率的增加而呈现先增大后减小的趋势。薄膜的结合强度随射频功率的增大而先增大后减小,射频功率为250 W时,薄膜中含有最多的sp3键,并且有最高的硬度,硬度值为21 GPa。结论 纯Cr过渡层能有效吸收薄膜中的内应力,改善膜/基结合性能,对Cr/CrC薄膜结合强度有明显增强作用。石墨靶的射频功率大小对梯度Cr/CrC膜的结构和结合强度有显著影响,射频功率为250 W时,制备出的薄膜具有最高的硬度和结合强度。     

高功率脉冲磁控溅射制备非晶碳薄膜研究进展

非晶碳薄膜主要由sp3碳原子和sp2碳原子相互混杂的三维网络构成,具有高硬度、低摩擦系数、耐磨损、耐腐蚀以及化学稳定性等优异性能。然而传统制备方法难以实现薄膜结构及其性能的综合调控,高功率脉冲磁控溅射因其离子沉积特性受到领域内专家学者的关注。总结了近年来关于高功率脉冲磁控溅射制备非晶碳薄膜材料的研究进展。重点介绍了高功率脉冲磁控溅射石墨靶的放电特性,指出了其在沉积非晶碳薄膜过程中获得高碳原子离化率的条件。针对离化率和沉积速率低,主要从提高碳原子离化率和碳离子传输效率等角度,介绍了几种改进的高功率脉冲磁控溅射方法。并对比了不同高功率脉冲磁控溅射方法中的碳原子离化特征、薄膜沉积速率、结构和力学性能。进一步地,探讨了高功率脉冲磁控溅射在制备含氢非晶碳薄膜和金属掺杂非晶碳薄膜中的优势及其在燃料电池、生物、传感等前沿领域的应用。最后,对高功率脉冲磁控溅射石墨靶的离子沉积特性、非晶碳薄膜制备及其应用研究趋势进行了展望。     

碳等离子体诱导柔性PET薄膜表面原位生长非晶碳薄膜

等离子体改性由于效果持久、环境友好而备受关注,其中碳等离子体改性不仅具有轰击效应,同时还具有沉积效应,然而碳等离子体对柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜改性研究较少。柔性PET薄膜在使用过程中常因磨损和降解等原因,其光学透过性能以及力学性能受到影响。研究不同碳等离子体轰击电流（0.5 A、1.0 A、1.5 A、2.0 A）对柔性PET薄膜结构及性能的影响。通过FTIR、Raman光谱、双光束扫描电子显微镜（FIB-SEM）、扫描探针显微镜（SPM）、接触角测量仪、UV-Vis、氙灯老化试验箱、多功能摩擦磨损试验机等分析手段对薄膜的表截面结构、润湿性能、透光性、耐老化性、耐磨防护性及柔性的变化进行表征,并分析其生长机理。结果表明：低电流（0.5A）下碳等离子体主要起到轰击效应,使得PET薄膜表面有机碳质结构发生断裂重排,样品透光率与基底相比仅下降0.439%,同时该电流下制得的样品具有疏水性、耐老化性及韧性。而高电流下制得的样品的硬度显著提升,具有良好的耐磨性能,表面薄膜在弯曲过程中因应力的释放出现裂纹,但薄膜并未剥落。非晶碳薄膜与柔性PET薄膜具有良好结合力。通过碳等离子体诱导法...     

弧电流对电弧离子镀沉积超硬ta-C薄膜的影响

用电弧离子镀设备,以获得超硬四面体非晶ta-C薄膜为目的,通过改变弧电流,在硬质合金基体上沉积制备了5组类金刚石DLC薄膜,主要考察弧电流对薄膜结构、性能以及获得超硬ta-C薄膜的影响规律。采用SEM、Raman、XPS、纳米压痕以及摩擦磨损仪分别表征了薄膜的形貌、结构、力学性能以及摩擦性能。结果表明：当弧电流为30 A时,薄膜表面最为平整致密、大颗粒数量最少,Raman谱的I_D/I_G值最小为0.87、sp^₃键含量最大为64%,薄膜的硬度和弹性模量最大分别为56.7 GPa和721.1 GPa、弹性恢复系数高达58.9%,且薄膜的摩擦系数最小为0.073,表明此时获得了具有优异综合性能的超硬ta-C薄膜;但随着弧电流的增加,薄膜表面变得疏松多孔、表面大颗粒增多,I_D/I_G增大、sp^₃键含量减小,薄膜的硬度H和弹性模量E逐渐减小,薄膜的摩擦系数也逐渐增大、摩擦性能大大降低,此时薄膜又归于呈现普通的性能一般的DLC薄膜特征。分析表明,若用电弧离子镀技术制备性能优异的超硬四面体非晶ta-C薄膜,需控制薄膜在较小的离子通量下沉积生长,为此需选择较小的弧电流方能实现。