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非晶碳类薄膜的多层结构设计及其机械性能的研究论文
摘 要
本论文主要制备了软硬交替沉积的DLC 多层薄膜和nc-TiC/a-C:H 纳米复合单层和
多层薄膜,通过改变多层结构的调制周期和调制层软硬匹配,考察了其对碳基多层薄膜
的微观结构和机械性能的影响。
(1)采用磁控溅射的方法,通过控制沉积偏压改变调制层的模量和应力比制备了
软硬交替沉积的 DLC 多层薄膜,并考察了调制层的改变对薄膜的硬度、韧性以及干摩
擦和水环境下摩擦性能的影响。DLC 多层薄膜的硬度并没出现多层强化效应,薄膜的韧
性在-120/-160V 时达到最大,相当于单层薄膜的两倍。和多层块体材料中断裂韧性与层
间模量比之间的规律相反,薄膜的韧性与调制层的模量以及应力比成反比例。主要原因
是低模量差距较小时,减弱了硬层的应力集中,避免了裂纹的萌生。不论在空气中还是
水环境下多层薄膜的磨损率均只有单层薄膜的一半。对于多层薄膜来说,高的抗磨损率
性和高的韧性是保持一致的,说明了薄膜韧性(包括裂纹的萌生和扩展)相比于只包括
裂纹扩展的断裂韧性更适合评价薄膜的机械性能。
(2 )采用磁过滤阴极弧等离子沉积技术制备了nc-TiC/a-C:H 纳米复合薄膜,通过
控制通入的C H 和Ar 气的流量比改变薄膜的微观结构和机械性能。薄膜是由TiC 的纳
2 2
米晶和a-C:H 非晶相组成,增加C H /Ar 的流量比例,薄膜中的C 含量增加,TiC 的晶
2 2
粒尺寸降低,薄膜中的sp3 含量降低。当C H /Ar 流量比为12 时,薄膜的硬度最大30GPa,
2 2
薄膜的摩擦学性能和硬度并没有直接的关系,仅与薄膜中的sp2 含量有关,高含量的sp2
有利于在摩擦过程中出现转移膜。随着C H /Ar 增加,薄膜的内应力降低,膜基结合力
2 2
得到相应的提高。
(3 )采用磁过滤阴极弧等离子体沉积技术制备了软硬交替沉积的nc-TiC/a-C:H 多
层薄膜,并考察了调制周期和软硬层匹配对薄膜结构和力学性能的影响。结果发现固定
软硬层匹配,仅改变调制周期时,多层薄膜在调制层厚度为40nm 时薄膜的内应力最低,
调制周期过大或者过小都会导致内应力的升高。多层薄膜的磨损率随着调制周期的增加
呈现先减小后增大的趋势,当调制层厚度为40nm 时薄膜的磨损率最低。选择磨损率较
低的调制层厚度20 ,40 和60nm,仅改变软硬亚层的匹配,发现所沉积的薄膜不论在亚
层厚度为20nm,40 还是60nm,1-10/1-12 样品的磨损率始终最低。
I
关键词:碳基薄膜,多层薄膜,机械性能,摩擦学性能
II
ABSTRACT
(1) Alternate hard and soft diamond-like carbon (DLC) multilayer coatings with different
modulus and stress ratio between adjacent sub-layers were prepared using magnetron sputtering by
controlling deposition bias. The effect of modulus and stress ratio between adjacent sub-layers on the
hardness, toughness and tribological properties under dry and water-lubricated sliding conditions were
studied systematically.
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