纳米结构类金刚石薄膜的制备及其摩擦学性能的研究

【摘要】本文以等离子体增强化学气相沉积(PECVD)设备,利用高功率脉冲技术、恒流双极脉冲技术和液相碳源制备了纳米结构的类金刚石薄膜。考察了各种工艺参数对薄膜纳米结构的影响,探讨了薄膜纳米结构与其机械性能、摩擦学和表面特性之间的相关性。通过选择合适的参数制备系列纳米结构类金刚石薄膜。讨论了纳米结构薄膜力学性能的产生机制。同时考察了特殊纳米结构在薄膜摩擦过程中的结构演化,并进一步讨论了纳米结构对摩擦学性能的贡献机理。主要研究结果如下：1.利用高功率PECVD制备了一类指纹状纳米结构类金刚石薄膜,考察了沉积参数对薄膜结构及性能的影响。研究表明高的等离子体能量对薄膜的纳米结构有显著的影响,并通过该方法制备出具有优异机械和摩擦学性能的纳米结构类金刚石薄膜。这种纳米结构碳基薄膜表现出优异的力学性能,如高硬度21.5GPa和高弹性(弹性回复85%)。更重要的是,薄膜在相对湿度为35%的大气环境下表现出超低摩擦系数(～0.009)。通过高分辨透射电镜的分析发现,指纹状的纳米结构在磨屑中可以稳定存在,并认为这可能是超低摩擦产生的一个主要原因。2.利用恒流双极脉冲直流PECVD制备出纳米洋葱/非晶(COs/a-C:H)复合类金刚石薄膜。由于这种独特的碳洋葱分散在无定形基体的双重纳米结构,薄膜表现出优异的机械性能和良好的摩擦学性能。该薄膜拥有高达92%的超高弹性回复,同时在相对湿度30%的空气环境下表现出超低的摩擦系数(μ<0.008)和磨损率(6.41×10-18m3/Nm)。为了更深入的理解薄膜表现出的优异摩擦学性能,利用高分辨透射电镜考察了COs/a-C:H薄膜中纳米洋葱的结构和分布演化,发现碳洋葱分子可以在磨屑中稳定存在。磨屑中的碳洋葱在微观上存在纳米滚动效应,其在摩擦过程中起到“分子滚动轴承”的作用,将滑动行为转化为滚动行为,导致产生超低的摩擦系数和磨损率3.以环戊二烯做为碳源,在低压条件下气化,采用等离子体化学气相沉积法,在Si单晶<100>面上制备了富勒烯纳米团簇/非晶复合纳米结构类金刚石薄膜。利用透射电子显微镜和拉曼光谱发现,该类金刚石薄膜是多层卷曲富勒烯纳米团簇包裹在非晶基体的复合结构。结果表明,由于这种特殊的纳米结构,薄膜表现出了优异的力学和摩擦学性能。4.研究了所制备的具有类富勒烯结构的碳基薄膜在离子液体作为润滑剂条件下的摩擦磨损性能。结果表明,含氢类富勒烯碳基薄膜在低频率摩擦时表现出减摩性能；在高频率摩擦中表现出优异的抗磨性能,磨损寿命显著提高。并用边界润滑理论对其减摩抗磨作用做了探讨。
【作者】龚珍彬；
【导师】杨保平；张俊彦；
【作者基本信息】兰州理工大学，应用化学，2014，硕士
【关键词】类金刚石薄膜；纳米结构；力学性能；摩擦磨损性能；摩擦机理；

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