氩气流量对非晶碳膜结构及力学和摩擦学性能的影响

目的 提升9Cr18不锈钢表面的耐磨损性能.方法 在不同氩气流量条件下,采用激光引弧磁过滤阴极电弧离子镀制备非晶碳膜.利用拉曼光谱、X射线光电子能谱仪(XPS)和原子力显微镜(AFM)表征薄膜的微观结构和化学态.利用薄膜综合性能测试仪和大气球-盘摩擦试验机,测试薄膜的力学性能和摩擦学性能.结果 拉曼光谱分析表明,随着氩气流量从0 mL/min增大到80 mL/min,ID/IG值从0.62逐渐增大到2.84,而G峰的半高宽随着氩气流量的增大而降低.XPS分析表明,随着氩气流量的增加,薄膜中sp3杂化键含量逐渐降低,氩气流量为0 mL/min时,sp3杂化键的原子数分数为55.1％,氩气流量为80 mL/min时,sp3杂化键的原子数分数降低至31.0％.氩气流量为0 mL/min时,制备的薄膜硬度和弹性模量最大,分别为46.4 GPa和380.5 GPa.不同氩气流量制备的薄膜,其摩擦系数为0.1～0.2,薄膜的磨损率随着氩气流量的增加而增大.结论 氩气流量对非晶碳膜的耐磨性能具有显著的影响,氩气流量为0 mL/min时,所制备的薄膜的磨损率为3.8×10–17 m3/(m·N),相较氩气流量为80 mL/min时所制备薄膜的磨损率(1.1×10–16 m3/(m·N))降低了1个数量级,说明其具有优异的耐磨损性能.     

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×...     

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。     

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。     

偏压对四面体非晶碳膜结构和性能的影响

目的 通过系统研究电弧离子镀偏压对四面体非晶碳膜(ta-C膜)结构及性能的影响规律,阐明偏压对ta-C膜结构及性能的影响机制,为拓展ta-C膜的应用提供一定的理论依据.方法 改变电弧离子镀偏压工艺,在硬质合金基体表面沉积ta-C单层膜.采用场发射扫描电子显微镜(SEM)表征ta-C膜表面及截面显微形貌,采用Raman光...     

凝固条件对非晶合金的微观结构和性能的影响

采用不同凝固控制的方法,研究了凝固条件对非晶合金的微观结构、热稳定性以及力学性能的影响。研究表明,高温下铜模喷铸样品为完全非晶结构,而低温喷铸和电弧原位吸铸所制备的样品中存在着一些纳米量级的析出相。高温喷铸样品表现出非晶合金典型的脆断行为,但低温喷铸和原位电弧吸铸样品则表现出较高的强度和良好的塑性变形能力。高温甩带样品初始晶化温度高于相应的低温甩带样品,其长期热稳定性优于低温甩带样品,表明浇铸温度的升高增强了非晶合金的热稳定性。     

类富勒烯结构对含氢碳膜摩擦学性能的影响

目的研究类富勒烯结构含氢碳膜的摩擦学性能及润滑机理。方法采用闭合场非平衡反应磁控溅射技术,通过调节靶电流制备出类富勒烯结构含氢碳膜(FL-C:H)与非晶含氢碳膜(a-C:H)。通过扫描电子显微镜、原子力显微镜观察薄膜表面与断面的形貌,通过傅里叶红外光谱仪表征了碳膜的碳氢键结构,通过纳米压痕仪、划痕仪、摩擦磨损实验评价薄膜的力学及摩擦学性能,通过透射电子显微镜分析磨屑结构,并通过光学显微镜及三维轮廓仪对磨斑及磨痕形貌进行分析。结果类富勒烯结构对薄膜的机械力学性能影响不大,但是对其大载荷下的摩擦学性能有影响。与a-C:H碳膜相比,小载荷下(5 N),FL-C:H碳膜的摩擦系数较高,大载荷下(20 N),FL-C:H碳膜具有较低的摩擦系数(0.03)和磨损率(4.8×10-8 mm~3/(m·N)),并且其摩擦界面形成了类球状纳米结构颗粒。随着载荷的增加,FL-C:H碳膜的摩擦系数和磨损率先降低,后基本不变,在载荷大于15 N时,摩擦界面形成了类球状纳米结构颗粒。结论类球状纳米结构颗粒的形成能降低薄膜的摩擦系数和磨损率,而FL-C:H碳膜比a-C:H碳膜更易在摩擦界面形成类球状纳米结构颗粒。这种类球状纳米结构的形成还依赖于载荷的大小(大载荷时更易形成),因此类富勒烯碳膜在大载荷下更易保持低的摩擦系数及磨损率。     

氮气流量对类富勒烯碳氮薄膜结构及力学性能的影响

目的在9Cr18钢表面制备类富勒烯碳氮薄膜,提高9Cr18钢表面强度。方法采用非平衡直流磁控溅射技术,在沉积温度为300℃的Ar和N2混合气氛中溅射C靶,制备类富勒烯CNx薄膜。利用XPS、Raman光谱、SEM研究了类富勒烯CNx薄膜的微观结构,利用纳米压痕仪和球盘摩擦试验机研究了CNx薄膜的力学性能和摩擦学性能。结果类富勒烯CNx薄膜中存在sp2 C—C、sp2 N—C和sp3 C—N化学键,类富勒烯结构的CNx薄膜的ID/IG比值较高且G峰向低峰位移动。随着氮气流量的增加,薄膜的硬度和弹性恢复系数先增大后减小,薄膜的硬度和弹性恢复系数越高,其磨损率越低。结论氮气流量为10 m L/min时制备的CNx薄膜具有较高的硬度和弹性恢复系数以及较低的摩擦系数和磨损率。在9Cr18钢表面制备类富勒烯碳氮薄膜能显著提高其表面强度。     

碳含量对中频磁控溅射沉积MoCN涂层微观结构及摩擦学性能的影响

目的 为了大幅提高机械零部件表面的硬度和耐磨性能,探究制备具有低摩擦因数、高硬度和良好耐磨性的MoCN涂层。方法 采用中频磁控溅射技术在不锈钢基板和硅片上,通过控制C₂H₂气体(纯度99.99%,0、3、6、9 mL/min)的量来制备具有不同含碳量的MoCN纳米复合涂层。通过X射线衍射仪和拉曼光谱仪分析涂层主要的物相结构,采用扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)表征涂层的表面和断面形貌。采用连续刚度法,利用纳米压痕仪测试涂层的纳米硬度和弹性模量。利用自动划痕试验机和光学显微镜(OM)评估涂层与基体之间的黏附强度。最后利用多功能摩擦磨损试验机进行磨损试验,通过SEM对试验后的涂层进行磨损形貌分析,并对涂层的摩擦学性能进行评价。结果 涂层微观组织和力学性能表征结果表明,MoCN涂层由MoN相和非晶态碳相组成。随着涂层中碳含量的增加,涂层与基体之间的结合力和涂层表面的粗糙度都呈现逐渐减小的趋势,其涂层的划痕失效临界载荷和表面粗糙度的最小值分别为6.90 N和6.80 nm,但是涂层的纳米硬度从7.36 GPa增至10.23 GPa。摩...     

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。     

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。     

Effect of Methane Flow Rate on Growth and Properties of TiSi-C:H Films Deposited by Middle-frequency Magnetron Sputtering

以甲烷为先驱气体通过中频磁控溅射Ti80Si20靶材在硅和不锈钢基底上制备TiSi-C:H薄膜,研究了甲烷流量对薄膜沉积速率、结构、力学和摩擦学性能的影响。结果表明,甲烷流量对薄膜结构、力学和摩擦学性能有显著影响,随甲烷流量增加薄膜从包含约10 nm晶的锥状纳米晶/非晶复合结构向非晶结构转变,在低甲烷流量下沉积的薄膜具有高硬度、高应力和高磨损率;在高甲烷流量下薄膜硬度和应力降低,而摩擦学性能提高。薄膜力学和摩擦学性能的变化被认为是随甲烷流量增加薄膜结构演化的结果。     

磁控反应溅射制备GexC1-x薄膜的结构

利用射频磁控反应溅射以Ar、CH4 为原料气体 ,在较宽的工艺参数范围内制备出了GexC1-x薄膜。利用X射线衍射 (XRD)、X射线光电子谱 (XPS)对制备的薄膜进行了分析。结果表明 ,GexC1-x薄膜的结构强烈依赖于制备的工艺参数。当沉积温度较低、射频功率不大时 ,GexC1-x薄膜主要为非晶态结构。随着沉积温度升高、射频功率增大 ,薄膜中出现Ge微晶相。GexC1-x薄膜中Ge与C发生电荷的转移 ,形成化学键。     

磁控溅射沉积BC_x薄膜的摩擦学性能

探索具有优良摩擦学性能的BCx薄膜的制备方法具有重要意义,文中采用闭合场非平衡磁控溅射碳化硼靶和石墨靶(纯度均为99.9%)的方法,在38CrMoAl齿轮钢和Si(100)表面沉积BCx薄膜,利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、原子力显微镜(AFM)、拉曼光谱、纳米压入仪、CSM摩擦磨损试验机和X射线光电子能谱仪(XPS)分别分析了BCx薄膜的结构特征、力学性能和摩擦磨损性能,得到了石墨靶电流对碳化硼薄膜结构和性能的影响规律。结果表明:相同的沉积时间内,BCx薄膜的厚度随石墨靶电流的增加逐渐增大,硬度、弹性模量逐渐降低,微观形貌的柱状结构特征越来越明显;增加石墨靶电流可以提高BCx薄膜的摩擦学性能,当石墨靶电流为2.4A时,BCx薄膜的摩擦因数稳定在0.2左右,且具有最佳的耐磨性能。     

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。     

离子源对中频反应磁控溅射AlN薄膜结构和性能的影响

采用离子源辅助中频反应磁控溅射技术在单晶硅及硬质合金基体上沉积AlN薄膜,利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、显微硬度计、薄膜结合强度划痕试验仪等对薄膜结构及性能进行表征,着重研究了离子源对中频反应磁控溅射AlN薄膜结构和性能的影响.结果表明:离子源的辅助沉积有利于AlN相的合成,当离子源功率大于0.7 kW时,AlN沿(100)晶面择优取向明显,当离子源功率为1.3 kW时,所沉积膜层有向非晶化转变的趋势.同时,随着离子源功率的增加,所沉积的AlN薄膜致密度和膜、基结合力均显著提高,而膜层沉积速率和硬度则呈先上升后降低的规律.     

聚碳酸酯表面射频磁控溅射类金刚石薄膜的摩擦学性能

采用射频磁控溅射方法在聚碳酸酯片(PC)上沉积了类金刚石薄膜。利用激光拉曼光谱和扫描电子显微镜对薄膜的形貌及结构进行分析;采用表面粗糙度仪和球—盘式摩擦磨损试验机对薄膜的摩擦学性能进行测试。结果表明:利用射频磁控溅射方法在聚碳酸酯片上沉积的薄膜具有类金刚石特征;射频功率和直流偏压对sp3键含量有较大影响,并影响镀膜后聚碳酸酯材料的表面粗糙度。