非碳化物金属掺杂改善类金刚石碳膜韧性

【摘要】本论文以改善类金刚石碳（DLC,diamond-likecarbon）薄膜韧性为出发点，以金属掺杂DLC技术为主导，利用离子束辅助沉积（IBAD,ionbeamassisteddeposition）技术和中频磁控溅射技术制备了不同金属含量的掺银类金刚石碳膜（Ag-DLC）和掺铜类金刚石碳膜（Cu-DLC）。通过研究非碳化物金属含量对薄膜微观结构、力学性能、综合摩擦学性能的影响，探讨了非碳化物金属掺杂对薄膜韧性的影响，以及薄膜韧性的表征方法。结果表明：（1）利用IBAD技术在M2高速钢基体上沉积了六组不同银含量Ag-DLC薄膜。通过系统研究银含量对薄膜附着性能和抗冲击性能的影响来反映薄膜的韧性。实验结果表明：银含量对薄膜的韧性有着显著的影响，在DLC基质中掺杂不同含量和纳米粒径的银颗粒，会引起薄膜附着性能和抗冲击性能的改变，薄膜的韧性也得到改善；在Ag含量为15.2at%时，薄膜具有高的临界载荷、更好的附着性能和抗冲击性能，表现出更好的韧性。通过分析划痕实验和冲击试验过程中薄膜的失效机理，揭示了银掺杂DLC薄膜的韧化机理。（2）利用IBAD技术在单晶硅（100）基体上沉积了五组不同铜含量的Cu-DLC薄膜。在DLC基质中掺杂不同含量和纳米粒径的纳米铜颗粒，能够改善薄膜的韧性，提高薄膜硬度、降低薄膜内应力，使薄膜具有优异的综合摩擦学性能。薄膜的韧性通过划痕实验得到的“划痕裂纹抗阻”表现出来。掺杂适当含量和纳米粒径的铜，尤其是铜含量为10.5at%时，薄膜的“划痕裂纹抗阻”最大，揭示出薄膜抵抗裂纹萌生和裂纹扩展的能力得到了提高，改善了薄膜韧性。（3）利用中频磁控溅射技术在镁合金基体上制备了Cu-DLC。铜含量对薄膜的机械性能和生物医学性能有着显著的影响：当铜含量11.4at%时，Cu-DLC薄膜具有最高的硬度、低的内应力、良好的附着性能；铜含量为8.7%的Cu-DLC薄膜具有最好的血液相容性，对镁合金能起到良好的保护作用：薄膜在模拟体液环境下具有较低的摩擦系数和良好的耐磨性能；镀有a:C–Cu8.7%薄膜的镁合金在NaCl溶液中防止镁合金的过快腐蚀，显示了良好的耐腐蚀性能。
【作者】宁振武；
【导师】于翔；
【作者基本信息】中国地质大学（北京），材料工程，2014，硕士
【关键词】非碳化物金属掺杂；类金刚石碳膜；附着性能；抗冲击性能；韧性；

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