化學(xué)氣相沉積金剛石薄膜的摩擦學(xué)性能研究進(jìn)展
化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition ,CVD) 金剛石薄膜具有極其優(yōu)異的力學(xué)(機械) 、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等性能的組合,因此在許多領(lǐng)域如機械耐磨涂層、光學(xué)窗口、聲表面波裝置(SAW) 、微電子機械系統(MEMS) 以及半導體材料等都有著(zhù)巨大的應用前景。自80 年代以來(lái),其作為新型功能材料一直是各國薄膜技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。近幾年來(lái),我國在CVD 金剛石薄膜的制備技術(shù)、制備裝置、基礎研究和應用領(lǐng)域方面都取得了長(cháng)足的進(jìn)步。本文簡(jiǎn)要介紹了CVD 金剛石薄膜的幾種主要方法,并從金剛石薄膜作為耐磨涂層的角度出發(fā),綜述了近年來(lái)國內外關(guān)于其摩擦學(xué)性能的研究,著(zhù)重討論了金剛石薄膜的摩擦學(xué)機理及影響因素。
1、CVD 金剛石薄膜的制備方法
CVD 金剛石薄膜的基本原理是利用含碳氣源和氫(氧、氬) 氣,在高溫熱解或等離子體激活作用下活化,產(chǎn)生大量的含碳基團(如CH3 或C2H2 或C2 ) 和能夠刻蝕SP2 雜化碳(即石墨) 的原子氫(氧、氬) ,并在這些基團、原子的共同作用下在基體表面沉積,從而得到以SP3 雜化碳結構的金剛石薄膜。經(jīng)過(guò)近20 年的研究,人們發(fā)展了多種CVD 金剛石薄膜技術(shù)如熱絲CVD(Hot Filament CVD ,HFCVD) 、微波等離子體CVD(Microwave Plasma CVD ,MPCVD) 、電子回旋共振(ECR) 微波CVD(ECR - CVD) 、直流電弧等離子體噴射CVD(DC Arc Plasma CVD) 、燃燒火焰CVD (CombustionFlame CVD) 等。這幾種方法的工藝參數和優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。
表1 不同CVD 金剛石薄膜工藝的比較
2、金剛石薄膜的摩擦學(xué)特性
金剛石薄膜具有極高的硬度,較低的摩擦系數,較高的耐磨性,良好的化學(xué)穩定性,是一種優(yōu)異的表面抗磨損改性膜。下面對金剛石薄膜的摩擦學(xué)性能研究作一討論。
2.1、金剛石薄膜的摩擦機理
金剛石薄膜的摩擦學(xué)行為是眾多因素共同作用和影響的結果。由于在制備過(guò)程和測試過(guò)程中,眾多不確定因素(如沉積溫度,反應氣源,環(huán)境濕度,實(shí)驗載荷與溫度等) 的影響,使得各人的研究結果有很大的差異,始終不能得到一致的摩擦學(xué)機理。Field 等人對CVD 沉積金剛石薄膜和天然金剛石的摩擦學(xué)性能進(jìn)行比較后發(fā)現,其摩擦學(xué)行為和機理基本相同。但是,天然的金剛石顯示各向異性效果。他們認為,金剛石薄膜的磨損機理有兩個(gè):一是接觸點(diǎn)的剪切引起的粘著(zhù)效應,二是由于表面層的塑性變形導致的犁應力。Gardos等研究認為,金剛石薄膜的摩擦學(xué)行為主要由接觸表面之間的化學(xué)性質(zhì)控制�；瑒�(dòng)兩表面之間化學(xué)鍵的形成和斷裂控制著(zhù)摩擦行為,而鍵的斷裂則控制著(zhù)磨損行為。Ali Erdemir 等人根據實(shí)驗結果提出金剛石薄膜的摩擦學(xué)機理主要有:
�、俦砻婀饣�。當金剛石薄膜晶粒尺寸大、表面粗糙時(shí),在滑動(dòng)中就容易產(chǎn)生剪切和犁溝磨損,導致摩擦系數很大。因此,提高薄膜的表面光滑度,就能有效地消除剪切和犁溝效應,改善摩擦性能。
�、诒砻婊瘜W(xué)結構。金剛石薄膜的低摩擦性能的本質(zhì)是由于表面的高度鈍化。一旦表面鈍化,表面之間的粘著(zhù)效應就基本消除,摩擦磨損就會(huì )降低。
�、巯噢D移。在苛刻的條件(如高接觸壓力、高摩擦熱) 下,摩擦引發(fā)金剛石薄膜表面相的轉移,金剛石石墨化,石墨是一種很好的固體自潤滑材料,從而減少了摩擦磨損。
2.2、金剛石薄膜摩擦學(xué)性能的影響因素
CVD 金剛石薄膜的質(zhì)地結構如表面形貌、晶粒大小、晶粒取向、薄膜質(zhì)量等直接影響其摩擦學(xué)性能。相對于微晶金剛石薄膜,納米晶金剛石薄膜和拋光后的金剛石薄膜無(wú)論是在空氣中還是在干燥的氮氣中,都具有非常低的摩擦系數(0.06 ～ 0.15) 和低的磨損率( 2 ～ 6 ×10 - 7 mm3PN·m) 。Yongqing Fu和M1Schmitt 等人研究發(fā)現,(100) 取向的金剛石薄膜相對于(111) 取向的金剛石薄膜表現出較好的摩擦磨損性能。此外,隨著(zhù)金剛石薄膜中SP2結構無(wú)定形碳的增加,其磨損率增大,但對摩擦系數影響不大。/p>
金剛石薄膜的摩擦學(xué)性能主要由摩擦接觸點(diǎn)之間的化學(xué)和物理性質(zhì)控制,但是受環(huán)境的影響很大。不同的實(shí)驗環(huán)境,金剛石薄膜表現出迥異的摩擦磨損特性。在真空中 ,金剛石薄膜的摩擦學(xué)性能極差,其摩擦系數和磨損率分別高達110 和10 - 4 mm3PN·m 以上。但是,在潮濕的空氣中以及O2 、H2 、N2 存在的條件下 ,金剛石薄膜的摩擦學(xué)性能得到顯著(zhù)改善,具有較低的摩擦系數( < 0.1) 和磨損率(10 - 7～10 - 8 mm3PN·m) 。目前,人們普遍認為,金剛石薄膜表面懸鍵和表面鈍化決定著(zhù)其在不同環(huán)境下的摩擦磨損性能。在潮濕空氣中或者干燥的N2 中 ,具有低剪切強度的污染層的存在, 以及原子H、原子O、水蒸氣、水分子、含氧有機液體如醛、酮等吸附物對金剛石薄膜表面懸鍵的浸透導致表面鈍化,使得金剛石的摩擦系數大幅度降低。在真空中,溫度的升高引起表面吸附物的解吸,金剛石薄膜表面存在大量的能夠和摩擦副接觸表面強烈相互作用的懸鍵,從而使金剛石薄膜摩擦系數高達1.0 以上。
在高的實(shí)驗載荷與滑動(dòng)速度條件下,金剛石薄膜的摩擦學(xué)行為明顯地分為兩個(gè)階段。初始階段,摩擦系數高達0.9～1.2 ,這主要由薄膜的表面粗糙度決定;穩定階段,摩擦系數迅速下降到0.09～0.15。真空技術(shù)網(wǎng)認為,在此條件下,摩擦引起摩擦副金屬表面電子發(fā)射,從而導致接觸表面之間的氣體離子化。氣體的離子化促進(jìn)了原子H 和原子O 的化學(xué)吸附作用,引起薄膜表面結構的重組,改善了薄膜的摩擦性能。
與金剛石薄膜組成摩擦副的材料可分為高硬度材料和普通硬度材料,前者包括剛玉、金剛石、陶瓷等,后者包括不銹鋼、440C 鋼等。不同的摩擦副材料對金剛石薄膜的摩擦磨損性能也有一定的影響。Sheng YLuo 等人考察了納米金剛石薄膜與不同的摩擦副如Al2Si 合金、碳鋼、Al2O3 陶瓷之間的摩擦學(xué)性能,結果發(fā)現,納米金剛石薄膜與碳鋼之間的摩擦系數(～0.2) 要比與Al 合金(～0.09) 和Al2O3 陶瓷(～0.08) 之間的摩擦系數高出2 倍多;而對于磨損,其與Al 合金的磨損最高,與碳鋼的磨損最低。作者認為,與碳鋼之間的高摩擦系數可能是由于接觸表面之間Fe 和C 原子之間的化學(xué)作用引起的;而在摩擦過(guò)程中Al 和O2 生成堅硬的氧化膜則導致金剛石薄膜與Al 合金之間高的磨損率。P.Niedzielski 等發(fā)現納米晶金剛石薄膜與木質(zhì)材料之間的摩擦系數要比與金屬材料之間的摩擦系數高出幾倍,這可能是由于木質(zhì)材料本身的結構特征導致其表面比較粗糙,從而引起高的摩擦系數。
