代伟,吴国松,孙丽丽,张栋,汪爱英*
表面工程与再制造事业部,中科院宁波材料技术与工程研究所,
宁波 315201
摘 要
类金刚石因具有很多类似于金刚石的优异物化性能,如高硬度、良好化学惰性、优异的摩擦性能、极佳生物亲和性等。在力学、热学、光学、电学、生物医学等领域具有巨大的应用前景,近年来已引起人们的广泛关注并取得了较大进展。然而,DLC薄膜存在热稳定性低(350C开始石墨化)、残余应力高(高达10GPa)、膜基结合力差等问题,成为DLC薄膜产业化进程中亟需解决的关键问题。金属掺杂可以有效降低薄膜残余应力,提高薄膜热稳定性和摩擦学性能,是目前碳基硬质功能薄膜研究领域的重要分支之一。
本文采用线性离子束混合磁控溅射技术制备了Cr-DLC纳米复合薄膜,并研究了Cr金属掺杂对薄膜表面结构和性能的影响。在沉积薄膜的过程中,通过改变工作气体中CH4/Ar流量比来控制薄膜中Cr的掺杂含量。利用EDS、XPS等研究了掺杂的Cr含量,发现Cr含量随Ar/CH4比例增大而增加,但最高含量不高于0.3at.%。对薄膜的残余应力研究表明,金属掺杂能有效降低DLC膜中的残余应力。但纳米压痕和摩擦学测试结果显示,薄膜的硬度和摩擦性能相比纯DLC膜,变化不大,基本保持了DLC膜原有的优异力学和摩擦学性能。利用XPS对薄膜中Cr和C化学键态分析表明,薄膜中无碳化铬纳米晶形成,掺杂Cr原子以游离态分散在DLC非晶矩阵中,但因含量太小,TEM中无法观测到明显的Cr单质纳米晶相。结合Raman光谱分析,微量掺杂Cr对DLC薄膜中C-C杂化键(sp2/sp3)影响不大。
关键词:Cr-DLC薄膜、混合离子束、力学性能、原子键态、微结构