类金刚石薄膜的环境摩擦学特性和电化学腐蚀性能研究

摘要

类金刚石（Diamond-Like Carbon，简称DLC）薄膜是一类含有sp3和sp2结构的非晶碳膜。因具备优异特性如高硬度、低摩擦系数、强抗磨损性能及良好的生物相容性等，使其在机械加工、构件防护、电学、声学、光学及医学等各个领域有着广泛的应用，是目前功能薄膜材料领域的一个热点研究课题。然而，在实际应用中，常常面临各种摩擦环境和腐蚀环境，因此，除了要求其具有优良的力学特性、光电特性外，往往还需要同时兼具良好的环境摩擦学特性和各种腐蚀环境下的防腐耐蚀性能。
　　本文采用非平衡磁控溅射技术在304奥氏体不锈钢基体表面沉积了DLC薄膜和Ti-DLC薄膜。研究了DLC薄膜的基础力学特性、环境摩擦学特性、电化学腐蚀性能及Ti-DLC薄膜的机械性能，主要研究结果如下:
　　一、DLC薄膜的形貌、结构、成分及基础力学特性表征
　　采用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、透射电子显微镜(TEM)、Raman分光谱仪、X射线衍射仪（XRD，CuKα）、纳米压划/痕仪等研究了DLC薄膜的表面断面形貌、相结构、成分及纳米硬度。结果表明:本实验所制备的薄膜为表面分布均匀致密、断面光滑平整的非晶态物质。同时在1393 cm-1及1577 cm-1存在明显的波峰和凸肩，显示出典型的类金刚石薄膜的Raman光谱特征。由纳米压痕仪检测结果可知，所获得的DLC薄膜的硬度为11.660GPa，弹性模量为139.154GPa。
　　二、DLC薄膜的环境摩擦学特性
　　使用瑞士CSM公司生产的球盘式摩擦磨损仪测试了不同介质（干摩擦、水润滑、油润滑）条件下薄膜的摩擦学性能。结果表明，在干摩擦及水润滑条件下，DLC薄膜的摩擦系数分别为0.07和0.1，不锈钢的摩擦系数分别为0.37和0.23。无论是干摩擦还是水润滑条件下，DLC薄膜都明显改善了不锈钢的耐磨性和润滑性。而DLC薄膜在水润滑条件下的摩擦系数高于干摩擦条件下的摩擦系数，这主要是因为摩擦的过程中H2O与O2参与反应，降低了DLC薄膜的力学性能和化学惰性，增加了粘着效应。在油润滑条件下，DLC薄膜与不锈钢的摩擦系数分别为0.043和0.040，薄膜与基体的摩擦系数相近。
　　三、DLC薄膜的电化学腐蚀性能
　　利用电化学工作站测试了DLC薄膜在不同的电解质溶液(3.5％ NaCl、10％ HCl、20％ NaOH)下的腐蚀性。结果表明，DLC薄膜在3.5％ NaCl和10％ HCl溶液中自腐蚀电位都高于不锈钢，自腐蚀电流密度都低于不锈钢，耐蚀性分别为不锈钢的4.16和10.9倍，但在20％ NaOH溶液中腐蚀后，其耐蚀性相对于不锈钢来说没有明显改善。
　　四、Ti-DLC薄膜的机械性能
　　采用沈科仪LD600型磁控与多弧溅射镀膜机，以固体石墨靶和乙炔、纯金属Ti分别作为C源和Ti掺杂源，通过改变Ti靶溅射电流来获得不同Ti含量的DLC薄膜，并研究其机械性能。结果表明:随着Ti靶溅射电流的增大，薄膜的纳米硬度显现出先增加、后降低的趋势。掺杂适量的Ti后，DLC薄膜的膜/基结合力和断裂韧性可以得到明显的改善。而掺Ti量过高，薄膜的膜/基结合力反而会降低。薄膜的摩擦因数，随着溅射电流的增大，呈现先升高后降低的趋势。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 类金刚石薄膜的结构及种类

1．3 类金刚石薄膜的制备方法

1．3．1 类金刚石薄膜的沉积机理

1．3．2 物理气相沉积

1．3．3 化学气相沉积

1．3．4 液相沉积

1．4 类金刚石薄膜的应用

1．5 国内外研究现状

1．6 本课题的研究目的及研究内容

第二章 薄膜制备与实验方法

2．1 薄膜制备

2．1．1 镀膜设备及工艺步骤

2．1．2 基体材料

2．2 薄膜的形貌与结构表征

2．2．1 表面形貌表征

2．2．2 薄膜成分结构表征

2．3 薄膜的机械性能及电化学腐蚀性能测试

2．3．1 薄膜的纳米硬度测试

2．3．2 薄膜摩擦学测试

2．3．3 薄膜的电化学腐蚀性能测试

2．4 本章小结

第三章 类金刚石薄膜的结构和力学性能

3．1 类金刚石薄膜的形貌分析

3．1．1 SEM分析

3．1．2 TEM分析

3．2 类金刚石薄膜的结构分析

3．2．1 薄膜拉曼光谱分析

3．2．2 薄膜XRD分析

3．3 类金刚石薄膜的力学性能测试

3．3．1 薄膜的纳米硬度和弹性模量

3．3．2 薄膜的表面粗糙度

3．4 本章小结

第四章 类金刚石薄膜的机械性能及电化学腐蚀性能研究

4．1 类金刚石薄膜的环境摩擦学特性研究

4．1．1 干摩擦条件下类金刚石薄膜的摩擦学特性

4．1．2 水润滑条件下类金刚石薄膜的摩擦学特性

4．1．3 油润滑条件下类金刚石薄膜的摩擦学特性

4．2 类金刚石薄膜的电化学腐蚀性能研究

4．2．1 类金刚石薄膜在ω=3．5％NaCl溶液中的电化学腐蚀性

4．2．2 类金刚石薄膜在ω=10％HCl溶液中的电化学腐蚀性性能

4．2．3 类金刚石薄膜在ω=20％NaOH溶液中的电化学腐蚀性性能

4．3 掺Ti类金刚石薄膜的机械性能研究

4．3．1 掺Ti量对薄膜硬度的影响

4．3．2 掺Ti量对薄膜摩擦学特性的影响

4．3．3 掺Ti量对薄膜膜基结合力的影响

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 本文的主要研究工作及结论

5．2 展望

参考文献

致谢

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