复合结构碳基薄膜的制备及其摩擦学特性研究

利用复合气相沉积技术，将sp2杂化三维类富勒烯结构均匀的镶嵌在高度交联的sp3杂化碳网络当中。通过类富勒烯结构中弯曲平面的可逆变形吸收变形过程中的弹性能，利用sp3杂化网络限制类富勒烯结构的变形和滑移。通过控制薄膜中碳网络的成键方式、键合与溶解H原子的数量、类富勒烯与类金刚石结构的比例，在有效提高薄膜硬度与变形恢复能力的基础上，综合各组元的摩擦学特性，在实现低摩擦、长寿命的同时，赋予薄膜在不同环境中良好的摩擦学性能。系统的考察不同环境下薄膜摩擦学行为，探索制备条件对薄膜结构和摩擦学性能的影响，揭示其特殊结构与摩擦学性能之间的内在联系。在此基础上，发展一种具有低摩擦、长寿命、低环境敏感性的复合结构碳基薄膜材料。

在国家自然科学基金支持下，课题组开始开展了复合结构碳基薄膜的制备及其摩擦学特性研究工作。三年研究期限之内，发展出了一系列具有优良润滑性能的固体润滑薄膜材料。并在此基础上，开展了掺杂、复合碳基薄膜的制备与设计的尝试。主要研究成果如下： .1.利用磁控溅射技术制备了一种含氢类富勒烯结构薄膜。该薄膜结构为石墨平面形成弯曲或闭合的类富勒烯结构，均匀的镶嵌在无定型碳基体中。由于含氢类富勒烯碳膜具有高硬度以及良好的弹性恢复能力，这种特殊结构具有良好的承载能力, 在摩擦过程中迅速恢复由法向载荷造成的变形，从而表现出更低的磨损。此外类富勒烯结构增强了其在氧化与潮湿环境中的稳定性，保证了薄膜在不同环境中运行时不被氧化。因此含氢类富勒烯薄膜在不同环境中均表现出低摩擦。.2.将掺杂技术引入碳膜制备，利用气相反应磁控溅射技术，开展了TiAl以及TiSi掺杂碳基复合薄膜的制备工作，系统的考察了制备条件对薄膜结构的影响。结果表明：利用磁控溅射TiAl复合靶在甲烷气氛中沉积TiAl-a-C:H薄膜，当甲烷气体流量为60sccm以及基底偏压为-100V时，制备的TiAl掺杂含氢碳膜sp3杂化含量更高，在摩擦过程中更容易形成致密的转移膜，因此表现出良好的力学及摩擦学性能。通过磁控溅射TiSi复合靶，制备了在空气气氛下具有超低摩擦系数（＜0.01）的TiSi复合碳基薄膜，摩擦表面分析结果表明，H原子表面钝化、转移膜、摩擦石墨化以及摩擦化学反应的协调作用使得该薄膜表现出优良的摩擦学性能。.3.开展了复合碳基MoS2薄膜的制备工作，结果表明：利用磁控溅射混合二硫化钼/石墨靶材制备的MoS2/DLC二元薄膜具有明显的非晶/纳米晶复合结构，薄膜中MoS2纳米晶以几nm的尺寸均匀的镶嵌在类金刚石无定型碳基体当中，其中MoS2纳米晶具有明显的(002)基面择优生长。MoS2/DLC二元复合薄膜硬度(12.5GPa)大于纯溅射MoS2薄膜硬度（5.6GPa）。与纯溅射MoS2薄膜相比，MoS2/DLC二元复合薄膜抗氧化性能更好，同时具备在潮湿空气以及真空条件下的良好摩擦学性能。这是由于非晶/纳米晶复合结构显著的提高了薄膜的硬度以及恢复能力，从而表现出低的磨损；另一方面，DLC相的包裹减少了MoS2暴露空气的表面积，显著的增强了薄膜在氧化条件下的惰性，赋予薄膜在潮湿空气中良好的抗氧化效果。