摩擦副对不含氢GLC薄膜摩擦学性能的影响本科毕业论文.doc

河南科技大学毕业论文-化工071王艳摩擦副对不含氢glc薄膜摩擦学性能的影响摘 要本文通过非平衡磁控溅射沉积离子镀膜的方法制备了glc薄膜，在旋转式球-盘摩擦磨损试验机上考察了对偶材料对glc薄膜的摩擦性能的影响。在摩擦完毕后，采用扫描电镜对磨痕形貌进行了观察，使用非接触式三维表面轮廓仪测量了磨痕深度和宽度并对磨损率进行了计算分析。研究结果表明：1、固定载荷,随着速度的增大，glc/gcr15体系的摩擦系数逐渐减小，比磨损率由小变大后又变小；glc/si3n4、glc/al2o3体系的摩擦系数则逐渐增大，比磨损率则大体上呈增大趋势。2、固定速度，随着载荷的增大，三个体系的摩擦系数均不断下降，glc/gcr15体系的比磨损率大体上呈下降趋势；glc/si3n4、glc/al2o3体系的比磨损率则不断增大。关键词：glc薄膜，速度，载荷，摩擦，磨损effect of counterpart materials on tribological properties of h-free glc filmsabstracth-free glc films were prepared by using an unbalanced magnetron sputtering deposition method. effects of counterpart materials on tribological properties of glcs were examined on a rotation-type ball-on-disc tribometer. after the tests, the wear tracks and debris were observed using a scanning electron microscope. in addition, a non-contact three-dimensional surface profiler was employed to measure the depth and width of wear tracks and to calculate the specific wear rate. the major results are shown as below: 1. as the sliding speed increases under a constant load, the friction coefficient generally decreases, but the wear rate first increases and then decreases for the glc/gcr15 system. while for the glc/si3n4 and glc/al2o3 systems, both the friction coefficient and wear rate increase generally. 2. as the load increases at a constant sliding speed, the three systems commonly display a reduction in friction coefficient. but the wear rate does not change consistently. it decreases for the glc/gcr15 pair but increases for the glc/si3n4 and glc/al2o3 pairs with increasing load. key words: glc film, speed, load, friction, wear 目 录第一章 前 言11.1 碳膜的发展和应用11.1.1 碳膜的发展11.1.2 碳膜的应用21.2 碳膜的结构特点31.3 碳膜的制备原理和结构表征31.3.1 碳膜的制备原理31.3.2 碳膜结构表征51.4 glc薄膜的研究现状61.5 glc薄膜的研究意义81.6 本课题的研究方法9第二章 试验设备和方法102.1 制备glc薄膜的试验设备102.1.1 试验装置102.1.2试验材料102.1.3 制备过程102.2 glc薄膜摩擦学性能的研究方法及过程112.2.1试验装置112.2.2试验材料122.2.3 试验方法及过程122.3 磨损率计算13第三章 结果与分析143.1 glc/gcr15体系的摩擦磨损性能143.1.1 速度对glc/gcr15体系摩擦磨损性能的影响143.1.2 载荷对glc/gcr15体系摩擦磨损性能的影响173.1.3 不同载荷下glc薄膜与gcr15对摩后的表面形貌分析193.2 glc/si3n4体系的摩擦磨损性能213.2.1 速度对glc/si3n4摩擦磨损性能的影响213.2.2 载荷对glc/ si3n4摩擦磨损性能的影响243.2.3 不同载荷下glc薄膜与si3n4对磨后磨痕表面形貌分析263.3 glc/al2o3体系的摩擦磨损性能283.3.1 速度对glc/al2o3体系的摩擦磨损性能的影响283.3.2 载荷对glc/al2o3体系的摩擦磨损性能的影响313.3.3 不同速度下glc薄膜与al2o3对磨后磨痕的表面形貌分析333.3.4 不同载荷下glc薄膜与al2o3对磨后磨痕的表面形貌分析373.4 三个摩擦体系的摩擦系数和比磨损率的对比39结论40参考文献41致谢4343第一章 前 言1.1 碳膜的发展和应用1.1.1 碳膜的发展随着人们对金刚石的深入研究和广泛应用，对金刚石的工业需求日益增多 ,人们对硬质碳素材料有了更进一步的探索和需求 ,因此人们渴望找到其它一种可以替代金刚石的功能材料。自人类首次使用离子束沉积技术成功制备出硬质碳膜或类金刚石薄膜(dlc)以来 ,有关这方面的研究一直受到了人们的极大关注1。经过三十多年的努力 ,人们对类金刚石薄膜(dlc)的结构与性能已经有了深入的了解:类金刚石薄膜(dlc)是由 sp2杂化和 sp3杂化碳组成的亚稳态无定形碳 ,具有较高硬度、良好的化学稳定性和生物相容性及独特的光学性能 ,尤其是良好的机械和摩擦学性能 ,因此在轴承、齿轮、磁盘保护膜及微电子机械系统(mems)等方面显示了良好的应用前景2-7 。类金刚石膜有着比金刚石膜更高的性能价格比 ,且在相当广泛的领域内可以代替金刚石膜 ,这正是人们致力于研究它的主要意义所在。类金刚石薄膜按是否含氢可分为含氢碳膜(a-ch)和无氢碳膜(a-c、tac) ,它在结构上属于无定形碳 ,是由 sp2杂化和 sp3杂化碳组成；薄膜中 sp3结构决定了类金刚石薄膜具有诸多类似于金刚石的优良特性如热导率高、化学稳定性好、高的硬度和弹性模量、好的耐磨性和低摩擦系数等；同时薄膜中含有 sp2结构的碳使其可以采用比制备金刚石更简单的方法来获得。碳膜以其碳原子轨道 sp2和 sp3 的比例不同分为 2大类 ，人们把碳键结构以sp3为主的碳膜 称为类金刚石碳 (diamond-like carbon,dlc)膜，把碳键结构sp2为主的碳膜称为类石墨碳 (graphite-like carbon,glc)膜。其中dlc膜以 sp3碳键结构为主，硬度高、摩擦系数低， 但 dlc 膜在潮湿环境中的摩擦磨损性能有所下降，其是含氢 dlc膜在水中会发生严重磨损，且dlc膜内应力较大、承载能力较差，因此在工业生产中的应用受到限制。使用闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术制备的类石墨碳膜(graphite-like carbon films,简称glc 膜) , 是近年来,继类金刚石碳膜( diamond-like carbon films,简称dlc膜)之后兴起的一种新型的碳基减摩耐磨镀层。glc 镀层以sp2键为主，具有较高的硬度和承载能力、 较低的摩擦系数和磨损率。在油或水环境中仍能保持优异的摩擦磨损性能，因此适用于潮湿环境或水基和油基润滑剂工况下。1.1.2 碳膜的应用类金刚石碳膜,作为一种超硬材料，主要用于各种材料抗磨损的保护层。目前，对dlc膜的应用研究已经涉及光学、医学、机械、电子等多个领域。(1)光学材料领域的应用dlc膜可以作为一些光学和电子产品的保护层以及发光材料，如半导体红外抗反射膜的保护膜、喷墨打印机墨盒加热层的保护层、磁存储器的表面护理、录音机磁头的极尖的保护层，可以大大提高其使用寿命。利用 dlc膜的良好透光性能，可作为gaas器件的减反射膜和保护层8。(2)医学领域的应用由于dlc膜具有较高的抗磨损性和化学惰性，因此将其应用在一些医用材料上，以增加其使用寿命。如在聚乙烯的人工骨骼关节上沉积一层 dlc膜，其抗磨损性能可以和镀陶瓷和金属的制品相比；镀有多层膜的钛制品人工心脏瓣膜在疏水性和表面光滑性方面，也取得了较好的效果9。(3)机械领域的应用类金刚石膜磨损系数小，可以使机械零件在没有冷却和润滑的情况下运转，而不至于温度过高使零件失效。尤其它作为工具、量具表面的耐磨涂层 ,能够提高刀具寿命和刀具边缘的硬度，减少磨刀时间，节约成本；也可以不至于改变量具尺寸和划伤其表面，使得量具的使用寿命延长10。(4)电子材料领域的应用dlc膜不仅具有较低的介电常数、最高的禁带宽度、极好的电子及空穴迁移率以及最高的热导率、很高的电阻率，且易在较大的基体上成膜，可望代替 sio2成为下一代集成电路的介质材料11。 因为类金刚石具有负的电子亲和势、相对较低的有效功函数和禁带密度，在较低的外电场作用下可产生较大的发射电流，可望在平板显示器中得到应用12。所以现在 dlc膜主要用于计算机中，如磁介质保护膜、芯片的电绝缘膜等。(5)dlc膜在航天航空领域的应用由于较低的摩擦系数，可较好地使用在高温、高真空等不适于液体润滑的情况以及没有清洁要求的环境中13，这种性能很满足航天及航空材料的要求。1.2 碳膜的结构特点碳作为主族的代表元素，碳的性质对人们研究各种碳素材料极其重要。碳元素有三种同素异形体，即金刚石、石墨和各种无定形碳。碳原子按组成键的不同存在 3种不同形态，即sp1、sp2和sp3。在以碳原子为主形成的无定型薄膜中，碳原子轨道有多种杂化形式，因此碳可以形成多种晶态和非晶态结构。非晶碳主要是与晶态的金刚石碳和石墨碳相对而言的，由于其组成中含有sp3杂化和sp2杂化的碳，因而表现出介于金刚石和石墨之间的各种性质。由于非晶碳的主要性能都是由其中sp3和sp2的相对含量决定，因而据此可以作一个大致的划分。相对含量为 100% sp3组态的是金刚石结构碳，相对含量为100% sp2组态的是石墨结构碳，sp3含量在一定程度并表现出一定与金刚石相似性质的非晶碳称为非晶碳金刚石膜或者类金刚石 (dlc) ,类金刚石薄膜按是否含氢可分为含氢碳膜(a-ch)和无氢碳膜(a-c、tac) ；而sp3杂化的cc键含量在70%以上的非晶碳称作无定形碳 ( high tetrahedral amorphous carbon)，并且有tac和tach来表示；而 ac或 ach则指 sp3含量较低或 h含量较高的那种非晶碳。1.3 碳膜的制备原理和结构表征1.3.1 碳膜的制备原理 类金刚石薄膜(dlc)可以由等离子体辅助化学气相沉积(pacvd)14、等离子体增强化学气相沉积( pecvd)15 、脉冲真空弧光等离子体沉积16 等技术沉积制备。在这些方法中，等离子体增强化学气相沉积(pecvd)方法具有沉积温度低，制备的薄膜均匀致密等诸多特点而成为最常用的方法之一。类金刚石薄膜( dlc) 由于其性质的多样性和应用的广泛性，有关其制备工艺及摩擦学性能的研究受到越来越多的重视。人们先后研究和开发出了一系列dlc薄膜的制备方法，主要包括物理气相沉积（pvd ）和化学气相沉积（cvd）两大类。 1物理气相沉积物理气相沉积分为热蒸发沉积和溅射沉积两种：a.热蒸发沉积热蒸发气相沉积是在真空下加热蒸发材料，使蒸发粒子沉积在基板表面形成薄膜的一种技术，根据加热方式的不同，可分为电弧蒸发法、激光蒸发法和电子束加热法等。而溅射沉积是用高能粒子轰击靶物质（石墨，与靶面原子发生弹性或非弹性碰撞，结果部分靶表面原子或原子团簇蒸发出来，沉积在基板上形成薄膜。下面简单介绍几种常见的物气相沉积dlc 薄膜的方法。b.溅射沉积 溅射沉积技术是目前 dlc 薄膜最常用的工业生产方法，与离子束沉积有所不同的是，溅射沉积制备 dlc 薄膜无需复杂的离子源，而是利用射频振荡或磁场激发的氩离子轰击固体石墨靶形成溅射碳原子或碳离子在基材表面上沉积出dlc薄膜。这种方法的特点是设备比较简单，沉积的离子能量范围宽，基材形状不受限制，薄膜掺杂比较容易实现等。传统的溅射技术单一使用电场对溅射气体进行激发离化，效率较低。随后发展的磁控溅射技术利用了交叉电磁场对二次电子的约束作用提高了等离子体密度。在相同溅射偏压下，等离子体密度和溅射率增加，薄膜沉积速率明显提高，而且由于二次电子和工作气体的碰撞，电离率高，可以在较低的工作气压（10-1 pa）和较高射频电压（500 v）下产生自持放电，有利于高质量薄膜的生长。磁控溅射技术已成为溅射技术中的主流技术，也被认为是低温沉积最有效的技术。非平衡磁控溅射技术作为一种新型的镀膜技术，通过特殊的磁场布置, 使阴极靶面的等离子体状态发生较大改变，从而不仅具有普通磁控溅射（ms）过程稳定、控制方便和大面积膜厚均匀性的特点，而且克服了基片附近离子密度小和离化率低的缺点，所制备的薄膜附着力好、致密度高，同时又避免了过高的内应力。因此非平衡磁控溅射技术的应用日趋广泛。非平衡磁控溅射技术也已在光学薄膜（如增透膜）、低辐射玻璃和透明导电玻璃和隔热膜等方面得到应用。像太阳能电池、平板显示器件、微波与射频屏蔽装置与器件、传感器等也采用非平衡磁控溅射工艺制作。如zno薄膜在压电转换、光电显示及太阳能电池等方面有着广泛的应用。在现代机械加工业中，非平衡磁控溅射在工件表面镀制功能膜、超硬膜和自润滑薄膜的表面具有很大的优势，能有效地提高表面硬度、复合韧性、耐磨损性和抗高温化学稳定性能，从而大幅度地提高涂层产品的使用寿命，应用越来越广泛。如利用非平衡磁控溅射法制备类金刚石薄膜（ti，al）n薄膜，自润滑性质的mos2膜等。可见随着技术的进步和非平衡磁控靶的合理设计，非平衡磁控溅射技术的应用领域将越来越广。2. 等离子体增强化学气相沉积（pecvd） 等离子增强化学气相沉积法又称辉光放电法（gd），由于具有沉积温度低沉积速率高、设备简单以及能制备高质量、致密薄膜的特点，已成为制备类金刚石薄膜的最为常用的方法。pecvd促进化学反应过程的重要原因是高能电子的作用，等离子体中高能电子温度可以达到9000 ，它们与气体分子产生非弹性碰撞，使分子激活，促进离化，产生化学活性强的高能粒子、长寿命亚稳原子、激发态原子、原子或分子态离子和电子等大量活性粒子，这些活性粒子发生化学反应，同时放出反应热。在pecvd 的低压非平衡等离子体中，高能电子为源物质的粒子提供了能量，不需要更多的外界热能便可以发生化学气相沉积，从而降低了化学反应温度，使本来难以发生或者速度很慢的化学反应变为可能，这就是低温下实现高温反应的根本原因。目前，dlc已经可以用许多化学气相沉积法或物理气相沉积方法沉积得到。一般认为，sp3碳键结构是类金刚石碳膜具有优异性能的主要原因，因此在制备碳膜的过程中往往要求有更多的 sp3。1.3.2 碳膜结构表征1. 拉曼光谱拉曼光谱是研究各种碳材料键结构的常用手段，是研究金刚石、dlc、石墨和碳纳米管中无序度改变和晶相形成的有力工具，同时，由于碳材料对光的吸收系数很大，激光只能穿透几十纳米的厚度，所以拉曼光谱可给出碳材料表面的结构信息。另外，拉曼峰的位置(即拉曼位移)、强度、形状和半峰宽均包含了化学、结构方面的重要信息，拉曼峰的强度正比十散射物质的浓度，这为定量分析奠定了基础。2. 扫描电子显微镜sem是应用广泛的分析技术，可用来观察无定形碳膜和纳米晶碳膜的表面形貌，然而，由于无定形碳膜通常具有纳米级的平整度，尤其是用单晶硅片作基底时，所以sem几乎给出薄膜形貌的更多细节信息。而且，无定形碳膜的电子导电能力较低，容易发生表面荷电，从而得到带有假象的sem图像。但是，sem可应用于下列情形:用来确定无定形碳膜表面的纳米结构化合物或颗粒，测定由于膜与基底的不匹配造成的膜分层剥离现象;通过观察膜断面来确定膜厚，推算膜的生长速率，或研究生长机制;观察多层膜的断面;观察碳膜磨痕及分析磨屑。1.4 glc薄膜的研究现状付永辉等利用全封闭非平衡磁控溅射技术制备了高硬度类石墨膜，对不同工艺所制备的薄膜进行了微观分析，测定了薄膜的厚度、膜基结合强度和硬度，并考察了薄膜的摩擦学性能和腐蚀性能。结果表明：采用全封闭非平衡磁控溅射方法制备的以sp2杂化为主的类石墨膜具有高硬度、低摩擦系数和良好的抗磨及抗腐蚀性能；摩擦系数随载荷的增大而减小，而磨损率同硬度呈反比关系；加入适量cr 可软化薄膜,提高膜基结合强度，从而优化薄膜的性能17。蒋百灵等采用非平衡磁控溅射离子镀技术，以电流控制式在高速钢和硅基底上制备了不同 cr含量的c/ cr类石墨薄膜，测量了类石墨膜的显微硬度、膜基结合强度、摩擦系数和比磨损率，分析了薄膜的相结构，观察了薄膜的表面和断面形貌。结果表明，所制备的类石墨薄膜随 cr含量的增高，硬度逐渐降低，结合强度先增后降，摩擦系数和比磨损率则先降后升；类石墨膜是含有多种纳米晶的非晶结构；金属元素cr含量影响了类石墨碳膜的表面形貌和组织结构。当cr含量在0.5%2.5% 时，薄膜表面光滑而结构致密，摩擦系数小且比磨损率低，膜基结合强度高，具有良好减摩耐磨性能18。严少平等采用 4靶非平衡磁控溅射离子镀技术，在高速钢和硅基体上制备出不同cr含量的掺铬类石墨镀层，研究了类石墨镀层的显微硬度、摩擦系数和比磨损率，分析了cr含量对镀层的表面、断面形貌及微观结构的影响。结果表明，随cr含量的增加，类石墨镀层硬度逐渐降低；摩擦系数和比磨损率先降后升；镀层由非晶逐步变成有择优生长趋势的纳米晶与非晶混合多层结构。当cr含量在2w% t 10w% t 时,镀层表面光滑而结构致密，镀层c、cr成分均匀分布，硬度为19.8 21.4 gpa，最小的摩擦系数为0.045和最低比磨损率1.3210-6mm3/nm具有良好的减摩耐磨性能19。蒋百灵等利用4靶非平衡磁控溅射离子镀技术在si( 100)和w6mo5cr4v2高速钢基体上沉积类石墨镀层，研究了基体偏压与类石墨镀层的显微硬度、摩擦系数、比磨损率的关系，采用扫描电镜(sem)和透射电镜(tem)分析了基体偏压对镀层的表面、断面形貌及微观结构的影响。结果表明：随着基体偏压值的增大，镀层的沉积速率下降,显微硬度和结合强度先增后降，摩擦系数和比磨损率则先降后升。不同偏压对应了不同的显微结构，当基体偏压为65v左右，镀层具有良好的力学性能和减摩耐磨性能，对应镀层表面光滑、结构致密，断面呈细纤维结构，镀层由c、cr和cr cx纳米晶粒组成非晶结构20。 时惠英等采用闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术制备了掺cr类石墨镀层，研究了真空退火温度对镀层的硬度、结合强度、摩擦系数和比磨损率的影响规律，通过x 射线衍射( xrd) 分析了镀层结构随退火温度的变化。结果表明：随退火温度的升高，镀层有新相生成，镀层的膜基结合强度降低，镀层硬度随温度的升高先增加后降低，退火温度为500 时，镀层显微硬度最大；随退火温度的升高镀层摩擦系数呈现出先降低后升高的变化趋势，比磨损率逐渐增大21。段冰等用非平衡磁控溅射离子镀技术制备含铬类石墨镀层，研究了石墨靶电流对磁控溅射法制备的类石墨镀层摩擦性能的影响。通过扫描电镜、原子力显微镜、透射电镜等分析了镀层的表面形貌与组织。结果表明：所制备镀层的硬度随着石墨靶电流的升高而增加；镀层的摩擦系数和比磨损率随着靶电流的增大呈现先降后升的趋势；扫描电镜和原子力显微镜图片分析表明镀层表面呈典型的岛团状聚集态，且随着石墨靶电流增大，镀层表面岛团状尺寸变大、镀层表面粗糙度随之增大22。1.5 glc薄膜的研究意义物体的相互作用首先是通过物体表面进行的。工程中常见的磨损是三大失效形式之一，失效破坏导致零部件报废，设备停产，给国民经济造成巨大的损失。因此，改善材料的表面磨损性能，对于提高零件的使用寿命和可靠性；对于改善机械设备的性能、质量，增强产品的竞争能力；对于推动高新技术的发展；对于节约资源、美化人类生活，减少环境污染等方面都具有重要意义，其经济效益和社会效益是显而易见的。传统的氮化物、碳化物和碳氮化物等耐磨镀层以追求高硬度为目标，它们一般较脆，摩擦系数较高且硬质磨屑会加速摩擦副的破坏，因此，这类薄膜减磨效果不好。石墨和mos2摩擦系数低，减磨效果较好，但由于太软，耐磨性差。在以碳原子为主形成的无定型薄膜中，碳原子轨道有多种杂化形式，因此碳可以形成多种晶态和非晶态结构。碳膜以其碳原子轨道sp2和sp3 的比例不同分为 2大类，以sp3为主的碳膜称为类金刚石碳 (diamond-like carbon,dlc)膜，以sp2为主的碳膜称为类石墨碳 (graphite-like carbon,glc)膜。类金刚石碳膜具有许多优异的物理化学性能，如极高的硬度、化学惰性、低磨擦系数、高阻抗、良好的热传导和优良的光学透过性等，因而被广泛应用于光学器件、磁记忆器件、高温半导体材料、机械工具和医用矫形体的方面。在非晶碳膜的研究过程中，具备高硬度而低摩擦系数的金刚石和类金刚石( diamond- like carbon, dlc) 薄膜受到广泛关注，已作为刀具模具等耐磨耐擦伤保护镀膜。类金刚石薄膜(dlc)具有广阔的应用前景，于其优良的摩擦学性能(高硬度、低摩擦因数、低磨损率)，工业上已经将其作为保护膜。但这种薄膜如果在高温使用并和反应材料相接触，就会分解，所以其使用温度一般不超过400。 以sp2键为主的类石墨( graphite-like carbon,glc)膜，硬度可接近金刚石的硬度，且具有石墨的导电性能，摩擦系数低，内应力亦较小、沉积厚度相对较大、同铁基体不发生触媒反应，在glc中引入少量的ti或cr 等元素，不但可保持其高硬度、摩擦系数、磨损率、好的韧性及高承载能力，空气、或水中仍能保持出色的摩擦性能。随载荷的增加，摩擦系数相应降低。因此类石墨膜被认为是一种比dlc 膜应用前途更广阔的理想减摩抗磨薄膜，因而是一种优异的抗磨减摩纳米复合膜。1.6 本课题的研究方法了解国内外glc薄膜的诸多制备方法，熟悉本课题所用到的试样的具体制备背景，然后进行摩擦磨损性能测试实验。glc薄膜的摩擦学性能是在旋转式球-盘滑动摩擦实验机上来评价的。利用qg-700气氛高温摩擦磨损试验机，进行摩擦磨损性能方面的研究。摩擦实验完毕后，对试验得到的数据进行分类整理，作图分析，探讨不同摩擦副薄膜体系对磨时薄膜摩擦性能的变化规律，并作对比研究。用扫描电镜对薄膜的磨痕、磨屑及对偶球上的磨斑表面形貌进行观察分析，用非接触式三维表面轮廓仪来测量磨痕深度和宽度并计算磨损率。研究薄膜的磨损机制，并解释不同试验条件下glc薄膜的摩擦行为。第二章 试验设备和方法2.1 制备glc薄膜的试验设备2.1.1 试验装置glc薄膜是在sp 0806si多功能真空沉积设备中制备的。该设备真空腔体为圆柱形（直径80 cm、高60 cm），内部配有可做自转及公转运动的样品台及样品杆（用于悬挂不规则形状的样品）。同时样品台内置有水冷系统，这样沉积的薄膜不仅结构均匀，而且热应力小，膜基结合好。抽气系统由机械泵及涡轮分子泵组成，极限真空为10-4 pa，压升率小于510-1 pa/h。所用电源为：射频电源（13.56mhz，最大功率5kw）；中频交流溅射电源及脉冲直流偏压电源（最大功率30 kw，频率 40 khz）。2.1.2试验材料试验基体为抛光aisi202不锈钢片（1cr18mn8ni5n，厚度为0.8mm）及单晶硅片（n-型(100)晶面，厚度为0.6mm）。其中，沉积在不锈钢片上碳膜用来进行摩擦学性能研究，而硅片上的沉积碳膜则主要用于 sem和 tem 观察分析镀层结构并表征。glc成膜原材料为高纯石墨靶（纯度为99.999%）。2.1.3 制备过程一、沉积前基体的预处理活化、清洗样品表面：样品置入沉积腔后，将腔内气压抽至5.010-3 pa以下，然后通入高纯氩气至3.0pa。打开脉冲偏压电源，将电压调至-1000v，占空比调为60%，用氩等离子体对不锈钢片表面进行活化清洗30min，以除去基体表面固有氧化层、活化基体表面，从而提高膜-基结合强度。二、薄膜的制备glc薄膜是在sp 0806si多功能真空沉积设备中制备的。溅射沉积si过渡层：清洗完毕后，将氩气气压调至0.5pa，打开溅射电源，将溅射电流调至15 a，脉冲偏压调至-500v，占空比为50%，沉积20 min。非平衡磁控溅射法沉积glc薄膜：通入氩气至压强为0.3pa，打开中频溅射电源，将石墨靶溅射电流调整为18a，脉冲偏压设为-200v，占空比为50%，沉积150 min。2.2 glc薄膜摩擦学性能的研究方法及过程2.2.1试验装置本试验是利用qg-700气氛高温摩擦磨损试验机进行试验；结构示意图如图2-1所示。该装置的基本工作原理是：通过加载机构13、14加上试验所需载荷后，由主动电机1驱动下试样7转动，通过与不转动的上试样9进行滑动摩擦。1交流电机;2主轴;3 样品盘;4冷却水进出口;5 炉体;6气体接头;7 下试样（glc薄膜）;8 密封盖;9 上试样（摩擦副）;10 加载杆;11试样夹具;12 环境气室;13 砝码盘;14 压簧 15传力杠杆;16 力传感器;17 支架;18 横梁外罩;19 升降旋钮;20 升降立柱21滑动导轨;22 机架;23 导轨旋钮;24 风扇;25 加热装置图2-2-1 试验装置结构示意图由主控计算机中的程序设计直观地显示出实验温度值、载荷值、摩擦系数变化情况，并进行图形显示。2.2.2试验材料摩擦磨损试验为球-盘接触方式，其中盘试样为glc薄膜，尺寸758mm，对偶为gcr15、氮化硅、氧化铝，直径6mm。2.2.3 试验方法及过程薄膜的摩擦磨损性能试验：试验仪器：qg-700型气氛摩擦磨损试验机试验条件：室温下gcr15球、氮化硅球、氧化铝球（yg8，6mm）-盘式干滑动摩擦，试验前薄膜表面经处理。盘的尺寸为758（mm）。试验方案步骤一：载荷：1000g； 转速为400r/min；旋转半径分别为2mm、4mm、6mm、8mm、10mm、12mm,摩擦时间为30min。将三组薄膜试样在摩擦磨损试验机上与摩擦副（轴承钢、氮化硅、氧化铝）进行对磨，设定在相同的转速，在相同的载荷下，在相同的摩擦时间内，在不同的旋转半径（2mm、4mm、6mm、8mm、10mm、12mm）下，得到摩擦系数的影响曲线，磨痕用扫描电镜观察其表面形貌，比较薄膜与不同的摩擦副对磨时的摩擦系数和磨损程度。摩擦系数的试验编号：如2mm，表示：在转速为400r/min时旋转半径为2mm的薄膜磨痕的摩擦系数。依次类推。试验方案步骤二：旋转半径2mm、6mm、10mm 转速为400r/min；载荷分别为2n、5n、10n、14n、20n，摩擦时间为30min。取五组薄膜试样在摩擦磨损试验机上与摩擦副（gcr15球、氮化硅、氧化铝）进行对磨试验，设定相同的转数，在相同的速度下，在相同的摩擦时间内，在不同的载荷(2n、5n、10n、14n、20n)下，得到摩擦系数曲线，磨痕用扫描电镜观察其表面形貌，比较薄膜与不同的摩擦副对磨时的摩擦系数和磨损程度。摩擦系数的试验编号：如2n，表示：在转速为400r/min时载荷为2n的薄膜磨痕的摩擦系数。依次类推。2.3 磨损率计算根据公式：比磨损率=磨损体积/(周长*转速*时间*载荷)，算出不同压力下glc薄膜的比磨损率。比磨损率的数量级大约在10-7-10-6mm3/nm. 第三章 结果与分析3.1 glc/gcr15体系的摩擦磨损性能3.1.1 速度对glc/gcr15体系摩擦磨损性能的影响(a)(b)(c)(d)图3-1 (a)为glc/gcr15体系在载荷10n，转速400r/min时的摩擦系数随时间的变化曲线；(b)为其对应的散点图；(c)、(d) 为glc/gcr15体系薄膜的磨痕形貌图及比磨损率随时间的变化曲线由图可以看出随着线速度的增大，摩擦系数大体呈降低的趋势。中心距为2mm，在进行到24min时摩擦系数突然升高,呈现不规律的趋势，原因可能是对磨材料表面有一层氧化层，导致开始时的摩擦系数较小，当实验进行到26min时，氧化层被磨穿，摩擦系数突然升高。中心距为6mm-10mm时，摩擦系数曲线呈现波浪型，可能是因为在摩擦过程中样品表面伴随着转移膜的形成与脱落的过程，致使摩擦系数有规律的升高与降低，曲线呈现波浪型。由图可知，由glc/gcr15，10n的载荷，转速为400r/min(即频率为6.1)下，随着速度的逐渐增大，磨痕逐渐加深，比磨损率大体上先较小在增大后又减小的趋势。3.1.2 载荷对glc/gcr15体系摩擦磨损性能的影响(a)(b)(c)(d)图3-2 (a)为glc/gcr15体系摩擦系数随载荷的变化的曲线图;（b）为其对应的散点图;(c)、(d) glc/gcr15体系磨痕横截面轮廓曲线及比磨损率变化曲线随着载荷的增大，摩擦系数大体呈现下降的趋势，2n时摩擦系数在0.22左右，而一旦增大到10n以上时，摩擦系数降至0.10左右，并趋于稳定。当载荷较小时(2-10n),摩擦系数波动较大，分析可能是薄膜表面的结构缺陷造成,摩擦化学反应及热效应，当载荷为20n时，进行到6min时，摩擦系数突然变大，表示glc膜被磨穿。由(c)图可以看出，当对偶材料为gcr15时，随着载荷的增大，glc薄膜的磨痕不断加深，根据公式：比磨损率=磨损体积/(周长*转速*时间*载荷)，算出不同压力下glc薄膜的比磨损率，如图(d)所示，随着载荷的不断增大，glc薄膜的比磨损率不断降低。当载荷为5n-10n时，比磨损率在一个较低的值保持稳定。比磨损率的数量级大约在10-7-10-6mm3/nm3.1.3 不同载荷下glc薄膜与gcr15对摩后的表面形貌分析(a)(b)(c)(d)图3-3 磨痕的三维形貌图上面是一组旋转半径为2mm，对磨材料是gcr15，转速为400r/min的磨痕三位形貌图，载荷依次为2n、5n、10n、14n。由上面一组图片可以很直观的看出当对磨材料是gcr15时，磨痕的深度随着旋转半径的增大是逐渐变宽。在高载荷下，由于对偶球的挤压作用，接触区域发生了明显的塑性变形，磨痕两侧隆起的部分要比薄膜表面高。显然，塑性变形能够迅速分散外应力，避免了局部应力集中对薄膜造成的破坏。3.2 glc/si3n4体系的摩擦磨损性能3.2.1 速度对glc/si3n4摩擦磨损性能的影响(a)(b)(c)(d)图3-4(a)为glc/si3n4体系摩擦系数随旋转半径的变化曲线图;(b)及其对应的散点;(c)、(d)为不同中心距下，glc/si3n4体系磨痕横截面轮廓曲线及比磨损率变化曲线由(a)图可以看出随着线速度的增大，随着速度的增大，摩擦系数整体上呈现增大的趋势。当中心距为4mm时，摩擦系数出现了突增的反常现象，但是不会影响摩擦系数的整体变化趋势。由图(c)图可以看出，当对偶材料为si3n4时，随着中心距的增大，glc薄膜的磨痕的深度变化不明显，根据公式：比磨损率=磨损体积/(周长*转速*时间*载荷)，算出不同压力下glc薄膜的比磨损率，如图(d)所示，当中心距为4mm时，比磨损率出现反常，整体趋势为随着中心距的增大，比磨损率升高。3.2.2 载荷对glc/si3n4摩擦磨损性能的影响(a)(b)(c)(d)图3-5 (a)为glc/si3n4体系摩擦系数随载荷的变化曲线图;(b)为其对应的散点图;(c)、(d)为glc/si3n4体系磨痕横截面轮廓曲线及比磨损率变化曲线由图(a)可知，当载荷从2n增大到10n，摩擦系数为降低趋势，当载荷从10n到20n，摩擦系数为升高趋势，可见在10n左右摩擦系数达到一个最低值。当载荷为20n，试验进行到10min时，摩擦系数突然升高，试样被磨穿，对磨材料为si3n4，摩擦系数曲线大体较为稳定，无明显波动。由(c)图可以看出，当对偶材料为si3n4时，随着载荷的增大，glc薄膜的磨痕不断加深，根据公式：比磨损率=磨损体积/(周长*转速*时间*载荷)，算出不同压力下glc薄膜的比磨损率，如图(d)所示，当载荷为5n、10n时，比磨损率的值出现反常。整体可以看出随着载荷的增大，比磨损率呈现上升趋势。3.2.3 不同载荷下glc薄膜与si3n4对磨后磨痕表面形貌分析(a)(b)(c)(d)图3-6为不同载荷下glc薄膜与氮化硅对磨后磨痕三维形貌图图3-6是一组旋转半径为6mm，对磨材料是si3n4，转速为400r/min的磨痕三位形貌图，载荷依次为2n、5n、10n、14n。由上图可以很直观的看出当对磨材料是si3n4时，磨痕的深度随着中心距的增大是逐渐变深。在高载荷下，由于对偶球的挤压作用，接触区域发生了明显的塑性变形，磨痕两侧隆起的部分要比薄膜表面高出200-300 nm。显然，塑性变形能够迅速分散外应力，避免了局部应力集中对薄膜造成的破坏;同时，薄膜良好的韧性也使得其即使在高载荷下也不易发生脆性断裂，不会产生磨屑颗粒，从而避免了磨粒磨损的不利影响。3.3 glc/al2o3体系的摩擦磨损性能3.3.1速度对glc/al2o3体系的摩擦磨损性能的影响(a)(b)(c)(d)图3-7图3-7(a)、为glc/al2o3体系摩擦系数随中心距的变化图(b)为其对应的散点图。图(c)、(d) 为不同旋转半径下，glc/al2o3体系磨痕横截面轮廓曲线及比磨损率变化曲线。由(a)图可知，glc/al2o3体系，随着旋转半径的增大，摩擦系数呈现升高的趋势，当中心距为2mm-6mm时，摩擦系数曲线出现波浪形状，可能是因为在摩擦过程中样品表面伴随着转移膜的形成与脱落的过程，致使摩擦系数有规律的升高与降低，曲线呈现波浪型。对磨材料为al2o3，曲线波动较为明显。由(c)图可以看出，当对偶材料为al2o3时，随着中心距的增大，glc薄膜的磨痕的深度增大，根据公式：比磨损率=磨损体积/(周长*转速*时间*载荷)，算出不同压力下glc薄膜的比磨损率，如图(d)所示，当中心距为2-4mm时，比磨损率呈下降趋势，当中心距为4-12mm时，比磨损率呈上升趋势。比磨损率整体上呈上升趋势。3.3.2载荷对glc/al2o3体系的摩擦磨损性能的影响(a)(b)(c)(d)图3-8图3-8 (a) 为glc/al2o3体系摩擦系数随载荷的变化曲线图，(b)为其对应的散点图。由图(a)、(b)可知，随着载荷的增大，摩擦系数先降再升最后再降，没有规律。如果载荷5n是的摩擦系数的反常点，则可认为摩擦系数整体呈现下降趋势。当载荷20n，试验进行到4min时，摩擦系数突然升高，试样被磨穿，对磨材料为al2o3，摩擦系数曲线大体较为稳定，无明显波动。由(c)图可以看出，当对偶材料为al2o3时，随着载荷的增大，glc薄膜的磨痕不断加深，根据公式：比磨损率=磨损体积/(周长*转速*时间*载荷)，算出不同压力下glc薄膜的比磨损率，如图（d）所示，整体可以看出随着载荷的增大，比磨损率呈现上升趋势。3.3.3 不同速度下glc薄膜与al2o3对磨后磨痕的表面形貌分析(a)(b)(c)(d)(e)(f)图3-9 磨痕的三维形貌图图3-9是一组载荷为5n，对磨材料是al2o3，转速为400r/min的图片，中心距依次为2mm、4mm、6mm、8mm、10mm、12mm。由上面一组图片可以很直观的看出当对磨材料是al3o2时，磨痕的深度随着中心距的增大是逐渐加深的。在高载荷下，由于对偶球的挤压作用，接触区域发生了明显的塑性变形，磨痕两侧隆起的部分要比薄膜表面高出200-300 nm。显然，塑性变形能够迅速分散外应力，避免了局部应力集中对薄膜造成的破坏；同时，薄膜良好的韧性也使得其即使在高载荷下也不易发生脆性断裂，不会产生磨屑颗粒，从而避免了磨粒磨损的不利影响。3.3.4 不同载荷下glc薄膜与al2o3对磨后磨痕的表面形貌分析(a)(b)(c)(d)图3-10磨痕的三维形貌图图3-10是一组旋转半径为10mm，对磨材料是al2o3，转速为400r/min的图片，载荷依次为2n、5n、10n、14n。由上面一组图片可以很直观的看出当对磨材料是al2o3时，磨痕的深度随着载荷的增大是逐渐加深的。在高载荷下，由于对偶球的挤压作用，接触区域发生了明显的塑性变形，磨痕两侧隆起的部分要比薄膜表面高出100-250 nm。显然，塑性变形能够迅速分散外应力，避免了局部应力集中对薄膜造成的破坏；同时，薄膜良好的韧性也使得其即使在高载荷下也不易发生脆性断裂，不会产生磨屑颗粒，从而避免了磨粒磨损的不利影响。3.4 三个摩擦体系的摩擦系数和比磨损率的对比1.固定载荷，速度变化时：(1) (2)图3-11 固定载荷，速度变化时，三个体系摩擦系数和比磨损率的对比柱状图由图3-11知，摩擦系数平均值按大小排序为：glc/gcr15体系 glc/si3n4体系glc/al2o3体系；比磨损率平均值按大小排序为：glc/al2o3体系glc/gcr15体系glc/si3n4体系。2.固定速度，载荷变化时：（1）（2）图3-12固定速度，载荷变化时，三个体系摩擦系数和比磨损率的对比柱状图由图3-12可知，摩擦系数平均值按大小排序为： glc/al2o3体系glc/si3n4体系glc/gcr15体系；比磨损率平均值按大小排序为：glc/gcr15体系glc/al2o3体系glc/si3n4体系。结论本文采用非平衡封闭场磁控溅射镀膜技术，利用射频振荡或磁场激发的氩离子轰击固体石墨靶形成溅射碳原子或碳离子在基材表面上沉积出glc薄膜。并系统地研究了glc在大气气氛下的摩擦学行为，考察了类石墨膜在一定的速度及载荷下，与不同的对磨材料对磨时摩擦磨损性能，测量了摩擦系数和比磨损率,观察了薄膜的表面和磨痕断面形貌。主要结论如下：1、固定载荷,随着速度的增大，glc/gcr15体系的摩擦系数逐渐减小，比磨损率由小变大后又变小；glc/si3n4、glc/al2o3体系的摩擦系数则逐渐增大，比磨损率则大体上呈增大趋势。2、固定速度，随着载荷的增大，三个体系的摩擦系数均不断下降，glc薄膜磨痕也逐渐加深，glc/gcr15体系的比磨损率大体上呈下降趋势；glc/si3n4、glc/al2o3体系的比磨损率则不断增大。参考文献1 s. a isenberg , ronald. chabot . ion beam deposition of thin films of diamond like carbon j . journal of applied physics ,1971 ,42 (7) :29532959.2 a. grill ,v. patel , b. meyer son. tribological behavior of diamond like carbon: effects of preparation conditions and annealing j . surface and coatings technology ,1991 ,49 : 530539.3 b. bush. chemical , mechanical and tribological characterization ofultra2thin and hard amorphous carbon coatings as thin as 3. 5 nm: re 2cent developmentsj . diamond and related materials ,1999 ,8 :19852015.4 c. don net 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