氮化碳基薄膜制备及其水溶液中的摩擦学特性研究

摘要

采用离子束辅助沉积制备氮化碳基薄膜如BCN、SiCN 及a-CNx 薄膜，采用红外光谱、拉曼光谱及X-射线光电子能谱表征了薄膜的化学键态、结构及成分，通过纳米压痕仪测试了薄膜的硬度和弹性模量，利用非接触式三维形貌仪测试了薄膜的表面粗糙度，同时，研究了氮化碳基薄膜在水基溶液中的摩擦学特性，并采用三维视频显微镜和光学显微镜表征了对摩球和a-CNx 薄膜的磨痕，利用非接触式三维形貌仪观察了a-CNx 薄膜磨痕的三维形貌及截面形貌，并测量了a-CNx 薄膜的磨痕体积。研究结果表明：氮化碳基薄膜实现了各元素原子之间的结合，BCN(SiCN)薄膜主要化学键为B(Si)–C，B(Si)-N，C–N，C=N和C=C 键，而a-CNx 薄膜主要由sp3C-N和sp2C=N 键构成，此外，氮化碳基薄膜具有较低的表面粗糙度，较高的硬度和弹性模量。当辅源离子束能为200eV(300eV)，辅源离子束成分为0.5(0.5)时，N+与溅射靶材充分反应，薄膜生长致密，表面缺陷较少，且sp2 含量较少，因而，BCN(SiCN)薄膜表面光滑具有最高的硬度和弹性模量，分别为5.2nm(10.9nm)，28.4和228.5GPa(29.0和227.4GPa)。在水润滑条件下，BCN 薄膜/Si3N4 球实现超滑现象，而SiCN 薄膜/Si3N4 球具有较低的摩擦因数0.05。另外，a-CNx 薄膜的表面粗糙度约为25nm，硬度和弹性模量分别为29和330GPa，在醇基冷却液润滑条件下，a-CNx 薄膜/SiC 球具有较低的摩擦因数和磨损率。当乙醇（乙二醇）基冷却液浓度为20％(10％)时，摩擦因数最低约为0.025(0.019)，磨损率分别在10-6mm3/N·m 及10-10mm3/N·m 数量级，水基溶液下的摩擦学性能与对摩副材料的摩擦化学反应有关。