C_C多层类金刚石薄膜的热稳定性研究

类金刚石薄膜

C/C多层类金刚石薄膜的热稳定性研究

沟引宁1,2 黄 楠1* 孙 鸿1

(11西南交通大学材料先进技术教育部重点实验室,四川省人工器官表面工程重点实验室 成都 610031;

21重庆工学院材料科学与工程学院 重庆 400050)

ThermalStabilityofC/CMulti2Layers

GouYinning1,2,HuangNan1*,SunHong1

(11SichuanKeylaboratoryofSurfaceEngineeringofArtificialOrgans,KeyLaboratoryofAdvancedTechnologiesofMaterials,MinistryofEducation,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China;21SchoolofScienceandEngineering,ChongqingInstituteofTechnology,Chongqing400050,China)

Abstract Thediamond2likecarbon(DLC)multilayersweregrownbyfilteredcathodicvacuumarcdepositionon

substratesofsiliconand0Cr19Ni9alloy,andannealedat300eand400einair.ThemicrostructuresandmechanicalpropertiesoftheDLCmultilayerswerecharacterizedwithX2raydiffraction(XRD),X2rayphotoelectronspectroscopy(XPS),scanningelectronmicroscopy(SEM)andconventionalmechanicalprobes.Theresultsshowthattheannealingtemperaturesignificantlyaffectsitsmicrostructuresandmechanicalproperties.Forexample,annealingat400eoptimizesitsthermalstability.Possiblemechanismswerealsotentativelyexplained.

Keywords Filteredcathodicvacuumarcsource,C/CmultilayerDLCfilms,Thermalstability

摘要 采用磁过滤直流阴极真空弧源沉积技术,通过改变基体偏压,在单晶Si片和0Cr19Ni9基体表面制备了C/C多层

类金刚石薄膜。为了考察多层膜的热稳定性,对薄膜进行了300e及400e退火处理,采用X射线光电子能谱、硬度实验及摩擦磨损性能测试分析了退火对薄膜结构及性能的影响。结果表明在400e范围内多层膜具有较高的热稳定性。

关键词 磁过滤直流阴极真空弧源 C/C多层类金刚石薄膜 热稳定性

中图分类号:O484 文献标识码:A 文章编号:167227126(2008)062557204

类金刚石薄膜(Diamond2likeCarbonFilms,DLC)由于其高硬度、高弹性模量、低摩擦系数、独特的光学特性和化学惰性等优异性能,而成为具有广泛应用前景的保护膜及耐磨材料[1-3

3]

在摩擦副中的广泛应用,同时类金刚石薄膜的热稳定性不足是其广泛应用的又一瓶颈。已有的研究表明[4],类金刚石膜在低于300e的情况下是稳定的,但对它加热至超过300e时,将会逐渐发生相变及明显的氧化现象,由此导致部分力学性能失效。消除或降低类金刚石碳膜内应力的同时尽量保持类金刚石碳膜的主要性能是类金刚石广泛应用的基本保障。

近年来,包含两种或两种以上材料的多层膜引起了研究者的极大兴趣。这种多层膜具有不同于各分层薄膜的优异性能,比如高的断裂韧性及弹性模量等[5]。对于碳材料,制备高应力(较硬,高sp3含

。依据制备方法和

工艺不同[2],DLC的性质可以在很大范围内变化,当制备成低密度(2g/cm)薄膜时,其内应力小,结构富含sp2键,性能非常类似于石墨;当制备成较高密度(3g/cm3)薄膜时,其内应力大,结构富含sp3键,性能非常类似于金刚石,这种高密度的DLC薄膜被称为四面体非晶碳膜(ta2C)。ta2C膜具有极高的硬度,作为耐磨保护涂层具有广泛的应用前景。然而,ta2C膜的高内应力及低附着性在一定程度上阻碍了其

收稿日期:2007211227

基金项目:国家自然科学基金资助项目(No130270392)*联系人:Tel:(028)87600625;E2mail:huangnan1956@