丁腈橡胶闭合场非平衡磁控溅射制备DLC膜及摩擦性能研究

摘要

类金刚石（DLC）碳膜因具有高的硬度、高耐化学腐蚀性以及低的摩擦系数与磨损率，是一种很有发展潜力的保护涂层。DLC膜主要由C、H原子组成，与橡胶的成分相似，因而两者具有良好的相容性。橡胶密封圈与滚动轴承的配合可以有效防止润滑剂的泄露和灰尘的进入，因而被广泛应用于许多科技领域，如航空、航天、汽车等。但是，动态橡胶密封圈在使用过程中常常因摩擦系数大而严重磨损以致失效。因此，在橡胶上沉积DLC膜层的研究对于保证工程应用和节约能源具有重要的意义。
　　本文利用四个励磁线圈构成闭合场非平衡磁控溅射系统，并采用闭合场非平衡磁控溅射（CFUBMS）法在丁腈橡胶上沉积DLC膜。研究CFUBMS法在不同参数下脉冲偏压电源的电特性；利用两个石墨磁控对靶进行CFUBMS法五因素四水平的正交试验，实验试样进行三次不同的摩擦磨损测试和微观结构检测，分析平均摩擦因数变化、各因素极差和微观结构特点。
　　脉冲偏压电源电特性表明，在CFUBMS(GD)中，随着励磁线圈电流、沉积气压和脉冲基底偏压的增加，基体电流也随之上升，而随着C2H2/Ar流量比的增加，基体电流先逐渐升高后又下降；在CFUBMS(DC)中，基体电流随着励磁线圈和石墨磁控靶电流的增加而增加，随着脉冲基底偏压的增加先增加后保持不变，而随着沉积气压和C2H2/Ar流量比的增加，基体电流先逐渐升高后又下降，出现下降点的原因为偏压电源的过流保护。两种方法中C2H2/Ar流量比对基体电流的影响均出现转折点，证明该因素在膜层沉积中的重要影响作用。
　　摩擦磨损测试结果表明，摩擦加载力和速率增加都会引起摩擦因数上升。当摩擦加载力增加时，摩擦压头压入较深使滞后性摩擦占主导，摩擦因数会突变增加；摩擦速率增加时，粘滞性摩擦占主导，摩擦因数会随时间缓慢上升。对趋势图和极差图的分析得出最佳组合：石墨靶电流1.0A，沉积气压2Pa，C2H2:Ar=1:3，脉冲偏压-200V（80％）。对薄膜摩擦因数影响程度从大到小依次是C2H2/Ar流量比、石墨靶电流、偏压占空比、脉冲偏压大小和沉积气压。
　　橡胶上DLC膜的微观组织结构研究表明，DLC膜的表面一般由网状结构（与sp3键相关）和团簇状结构（与sp2键相关）共同组成。DLC膜层厚度较大和sp2键含量较高时，摩擦因数才能维持在较低的水平。

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第1章绪 论

1.1 课题背景及意义

1.2磁控溅射技术

1.3 正交实验设计法

1.4 类金刚石非晶碳薄膜

1.5 本课题主要研究内容

第2章试验设备与方法

2.1 试验设备

2.2试验方法

2.3 分析测试方法

第3章闭合场非平衡磁控法电特性研究

3.1 CFUBMS(GD)法的电特性

3.2 CFUBMS(DC)法的电特性

3.3 本章小结

第4章CFUBMS法制备DLC膜及摩擦性能研究

4.1 CFUBMS法沉积工艺探索

4.2 CFUBMS法沉积工艺正交试验

4.3 本章小节

第5章橡胶表面DLC膜微观组织与摩擦性能的关系

5.1 橡胶表面DLC膜表面形貌

5.2 橡胶表面DLC膜截面形貌

5.3 橡胶表面DLC膜拉曼光谱分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

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