磁控濺射非晶碳基薄膜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與機(jī)械性能.pdf

1、非晶碳(a-C)薄膜具有低的摩擦系數(shù)、高的硬度、優(yōu)異的耐磨性能以及良好的生物相容性，在摩擦學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。然而，膜生長(zhǎng)過程中產(chǎn)生的高內(nèi)應(yīng)力和高硬度容易導(dǎo)致薄膜的結(jié)合失效，限制其在表面保護(hù)工程方面的實(shí)際應(yīng)用。
　　本文把元素?fù)诫s、功能梯度結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)應(yīng)用于非晶碳基薄膜的設(shè)計(jì)當(dāng)中，并探索了薄膜組織結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的變化規(guī)律與內(nèi)在機(jī)理。
　　采用磁控濺射法制備出厚度約為1.5μm的含鈦非晶碳復(fù)合薄膜，并將偏壓

2、梯度（bias-graded，從-20 V逐漸變化到-150V）成功應(yīng)用于該薄膜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。研究發(fā)現(xiàn)，偏壓梯度對(duì)含鈦非晶碳膜層中的TiC沒有太大的影響，但是偏壓梯度薄膜的內(nèi)應(yīng)力和sp3碳含量均有所降低，與常偏壓薄膜相比，偏壓梯度薄膜不僅能維持較高的硬度（約19 GPa），還具有良好的韌性與結(jié)合強(qiáng)度。在10N高載荷條件下，偏壓梯度復(fù)合薄膜在空氣中的摩擦系數(shù)和磨損率分別約為0.08和2.89×10-16 m3 N-1 m-1;而在Hank

3、s'溶液中的摩擦系數(shù)也為0.08，但磨損率低至4.63×10-17 m3 N-1 m-1，展現(xiàn)出良好的耐磨性能，Hanks，溶液提供了明顯的潤(rùn)滑效果。
　　通過非平衡磁控濺射設(shè)備系統(tǒng)沉積制備a-C/a-C∶Ti納米多層薄膜和a-C薄膜，對(duì)a-C/a-C∶Ti納米多層薄膜進(jìn)行初步探索。研究發(fā)現(xiàn)，與a-C薄膜相比，該納米多層薄膜的硬度高達(dá)25 GPa，且具有良好的韌性。由于TiC納米晶粒和大量界面的存在，薄膜的硬度和結(jié)合強(qiáng)度得到很大改

4、善。另外，在無(wú)外界潤(rùn)滑條件下，該多層薄膜的摩擦系數(shù)和磨損率分別約為0.080和1.95×10-16m3 N-1 m-1;而在Hanks'溶液中，其摩擦系數(shù)和磨損率則分別低至0.074和4.25×10-17 m3 N-1m-1。
　　通過沉積不同調(diào)制周期(12-70 nm)的a-C/a-C∶Ti納米多層薄膜，對(duì)多層薄膜進(jìn)行更深入的研究。結(jié)果表明，這一系列薄膜厚度均達(dá)到3μm左右，展現(xiàn)出良好的膜基協(xié)調(diào)能力和高的承載能力，隨著調(diào)制周期的