简介

常见的制备DLC 薄膜的方法有真空蒸发 、溅射、等离子体辅助化学气相沉积、离子注入

等。这些方法中, 传统的真空蒸发镀膜法具有较高的沉积速度, 生成的薄膜纯度高, 但由于热蒸发的原子或分子在基板上能量很低(约02 eV ), 其表面迁移率很低, 导致薄膜与基体结合强度差, 加上已经沉积的原子对后来飞到的原子会造成阴影效果, 使得真空蒸发镀膜技术的应用受到很大的限制。离子注入法能使材料的摩擦因数、耐磨性、耐腐蚀性等发生显著变化, 而且注入层与基体材料之间没有清晰的界面, 因而与基体结合牢固, 表面不存在粘附破裂或剥落。然而, 离子注入的注入层太薄, 仅数百纳米, 在耐磨工况下应用受到一定限制。

为了克服真空蒸发镀膜法结合力差以及离子注入法注入层浅的问题, 科研人员把薄膜蒸发沉积与离子注入技术结合起来, 研究出了真空蒸发离子束辅助沉积技术[ 5, 6] 。该技术在用蒸发源(电子束) 将元素沉积在基片上的同时, 用离子轰击镀层, 以获得比离子注入层更厚、比蒸发镀膜法附着力更大的高性能致密膜层。因此这种方法有利于增强薄膜的摩擦学性能。本文作者用真空蒸发离子束辅助镀膜的方法制备了DLC薄膜, 测试了其摩擦学性能, 并对DLC 薄膜的表面形貌对其摩擦学行为的影响进行了研究。

弹簧钢及T i6A l4V球表面经真空蒸发离子束辅助镀膜处理后形成了光滑、致密的DLC薄膜, 摩擦学试验结果表明, DLC 薄膜降低了基体材料的摩擦因数, 改善了摩擦学性能。磨损表面的SEM 和AFM 分析表明, DLC 薄膜的表面磨损较轴承钢为轻, 表现出轻微的磨损痕迹, 表明弹簧钢基体经真空蒸发离子束辅助技术处理后, 表面摩擦学性能获得显著改善。AFM 分析还表明, T i6A l4V 球表面镀DLC 薄膜后,磨痕表面比磨损前原始表面平整光滑, 表面粗糙度小, 其摩擦学性能在摩擦过程中进一步得到改善。

Diamond-like carbon

碳素的天然结构有两种，空间立体结构（金刚石）和平面网状结构（石墨），而两者共存的结构就是DLC，其实DLC的定义是具有非晶质（amorphous）结构的碳素。所以，DLC的定义非常广泛，只要含有碳元素，而且是非晶质结构（没有固定的结构形态），那么它就是DLC，不管里面还掺杂有其它元素什么的，统统都叫DLC。

主要性能

1、力学性能

a.硬度及弹性模量。不同的沉积方法制备的DLC膜硬度及弹性模量差异很大，用磁过滤阴极电弧法可以制备出硬度达到甚至超过金刚石的DLC膜[10]，广州有色金属研究院用阴极电弧法制备的DLC膜最高硬度可达50GPa以上，而用离子源结合非平衡磁控溅射法制备的DLC膜硬度达21GPa[11]。膜层内的成分对膜层的硬度有一定的影响， Si、N的掺入可以提高DLC膜的硬度。DLC膜具有较高的弹性模量，虽低于金刚石（1100GPa），但明显高于一般金属和陶瓷的弹性模量。

b.内应力和结合强度。薄膜的内应力和结合强度是决定薄膜的稳定性和使用寿命，影响薄膜性能的两个重要因素，内应力高和结合强度低的DLC膜容易在应用中产生裂纹、褶皱，甚至脱落，所以制备的DLC膜最好具有适中的压应力和较高的结合强度。大部分研究表明，直接在基体上沉积的DLC膜的膜/基结合强度一般比较低，广州有色金属研究院通过采用Ti/TiN/TiCN/TiC中间梯度过渡层的方法提高DLC膜与基体的结合强度，在模具钢上沉积DLC膜的结合强度达44N-74N[12]，制备的膜导总体厚度可达5um。

2、摩擦性能

DLC膜不仅具有优异的耐磨性，而且具有很低的摩擦系数，一般低于0.2，是一种优异的表面抗磨损改性膜。DLC的摩擦系数随制备工艺的不同和膜中成分的变化而变化，其摩擦系数最低可达0.005[13]。掺杂金属元素可能降低其摩擦系数，但加入H能提高润滑作用，环境也对摩擦系数有一定的影响。但总的来说，DLC膜与传统的硬质薄膜（如上述的TiN、TiC、TiAlN等）相比，在摩擦系数方面具有明显优势，这些传统硬质薄膜的摩擦系数都在0.4以上。因此，DLC膜有可能在许多摩擦学领域替代这些传统硬膜。广州有色金属研究院制备的掺金属DLC膜具有良好的抗摩擦磨损性能及低达0.13-0.15的摩擦系数[14]。

3、热稳定性

由于DLC属亚稳态的材料，热稳定性差是限制DLC膜应用的一个重要因素，在300?C以上退火时即出现了sp3键向sp2键转变，为此，人们进行了大量的工作试图提高其热稳定性。有研究发现：Si的加入可以明显改善DLC膜的热稳定性，含20 at%Si的DLC膜在740?C退火时才出现sp3键向sp2键转变[15]。同样，金属（如Ti、W、Cr）的掺入也可提高DLC膜的热稳定性，我们正在对这方面进行研究。

4、耐腐蚀性

纯DLC膜具有优异的耐蚀性，各类酸、碱甚至王水都很难侵蚀它。但掺杂有其他元素的DLC膜的耐蚀性有所下降，这是由于掺杂的元素首先被侵蚀，从而破坏了膜的连续性所致。

5)表面状态

DLC膜表面一般较光洁，对基材的表面光洁度没有太大的影响，但随着膜厚的增加，表面光洁度会下降。不同的沉积方法所得到的DLC膜表面光洁度也是不同的，广州有色金属研究院采用离子源技术沉积的DLC膜表面质量明显优于电弧离子镀。