磁控溅射非晶碳基薄膜的结构设计与机械性能

【摘要】非晶碳(a-C)薄膜具有低的摩擦系数、高的硬度、优异的耐磨性能以及良好的生物相容性,在摩擦学和生物医学等领域具有很大的应用前景。然而,膜生长过程中产生的高内应力和高硬度容易导致薄膜的结合失效,限制其在表面保护工程方面的实际应用。本文把元素掺杂、功能梯度结构、多层结构应用于非晶碳基薄膜的设计当中,并探索了薄膜组织结构和机械性能的变化规律与内在机理。采用磁控溅射法制备出厚度约为1.5μm的含钛非晶碳复合薄膜,并将偏压梯度(bias-graded,从-20V逐渐变化到-150V)成功应用于该薄膜的结构设计中。研究发现,偏压梯度对含钛非晶碳膜层中的TiC没有太大的影响,但是偏压梯度薄膜的内应力和sp3碳含量均有所降低,与常偏压薄膜相比,偏压梯度薄膜不仅能维持较高的硬度(约19GPa),还具有良好的韧性与结合强度。在1ON高载荷条件下,偏压梯度复合薄膜在空气中的摩擦系数和磨损率分别约为0.08和2.89×10-16m3N-1m-1；而在Hanks’溶液中的摩擦系数也为0.08,但磨损率低至4.63×10-17m3N-1m-1,展现出良好的耐磨性能,Hanks’溶液提供了明显的润滑效果。通过非平衡磁控溅射设备系统沉积制备a-C/a-C:Ti纳米多层薄膜和a-C薄膜,对a-C/a-C:Ti纳米多层薄膜进行初步探索。研究发现,与a-C薄膜相比,该纳米多层薄膜的硬度高达25GPa,且具有良好的韧性。由于TiC纳米晶粒和大量界面的存在,薄膜的硬度和结合强度得到很大改善。另外,在无外界润滑条件下,该多层薄膜的摩擦系数和磨损率分别约为0.080和1.95×10-16m3N-1m-1；而在Hanks’溶液中,其摩擦系数和磨损率则分别低至0.074和4.25×10-17m3N-1m-1。通过沉积不同调制周期(12-70nm)的a-C/a-C:Ti纳米多层薄膜,对多层薄膜进行更深入的研究。结果表明,这一系列薄膜厚度均达到3μm左右,展现出良好的膜基协调能力和高的承载能力,随着调制周期的减小,a-C/a-C:Ti纳米多层薄膜的力学性能和摩擦学性能逐渐变好,调制周期为12nm的多层薄膜具有最高的结合强度、硬度(26GPa)、弹性模量(231.5GPa)、最低的摩擦系数(0.093)和磨损率(8.06×10-17m3N-1m-1)。
【作者】蔡建宾；
【导师】王秀丽；涂江平；
【作者基本信息】浙江大学，材料科学与工程，2014，硕士
【关键词】非晶碳；梯度复合薄膜；多层薄膜；机械性能；摩擦学性能；

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