a-C:H膜在不同真空度下的摩擦學(xué)行為研究
采用非平衡磁控濺射技術(shù)在不銹鋼及Sip(111)基體上制備了含氫無(wú)定形碳(a-C:H)薄膜，沉積的薄膜表面光滑，硬度高，內應力小，膜/基結合力好。利用球-盤(pán)摩擦實(shí)驗機對薄膜在不同真空度(1.0×105、5.0×10-2、1.0×10-2、5.0×10-3 Pa)下的摩擦學(xué)行為進(jìn)行了研究，結果表明，隨著(zhù)真空度的升高，薄膜的摩擦系數逐漸減小，磨損率逐漸增大。在5.0×10-3 Pa時(shí)，a-C:H膜的摩擦學(xué)行為發(fā)生突變，此時(shí)薄膜的摩擦系數為0.005，而耐磨壽命很短。高真空中，薄膜壽命的突變可能與薄膜脫氫而結構發(fā)生變化有關(guān)。
1、引言
載人航天工程、空間實(shí)驗室、星際探測器等空間高技術(shù)工業(yè)的發(fā)展，為我國經(jīng)濟建設、國家安全和科技發(fā)展做出了積極貢獻�？臻g環(huán)境的重要特點(diǎn)之一就是高真空，在此環(huán)境下，金屬表面的氧化膜在摩擦過(guò)程中很快被除去，潔凈金屬表面之間極易發(fā)生粘著(zhù)，甚至冷焊，致使摩擦副不能相對運動(dòng)，這對于空間運動(dòng)部件來(lái)說(shuō)是致命的。此外，常規的油脂潤滑劑在苛刻的真空環(huán)境下，易發(fā)生蒸發(fā)、分解或交聯(lián)而失效。所以，空間技術(shù)關(guān)鍵運動(dòng)部件在真空環(huán)境中的潤滑失效已經(jīng)成為制約空間技術(shù)裝備壽命和可靠性的瓶頸，因此，發(fā)展適合于高真空的高可靠性、超長(cháng)壽命的潤滑材料與技術(shù)具有重要意義。固體潤滑材料由于具有低的蒸發(fā)率、較寬的溫度區間、抗輻射、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，是理想的真空潤滑材料。含氫非晶碳膜(a-C:H)作為一種新型的固體潤滑薄膜，具有高硬度、低摩擦系數、高耐磨性、良好的化學(xué)穩定性等，在空間高技術(shù)領(lǐng)域顯示了重要的應用前景和價(jià)值。
a-C:H膜是介于金剛石碳和石墨碳之間的一種非晶亞穩態(tài)結構，由一定比例的sp3、sp2雜化碳原子組成，同時(shí)含有一定量的氫原子。因制備方法以及測試條件、環(huán)境氣氛等因素的不同，它的摩擦系數可在0.001～0.65范圍內變化。Donnet研究了a-C:H膜在大氣壓及不同真空條件下的摩擦學(xué)行為，結果表明，在不同的真空度下，a-C:H膜的摩擦磨損行為相差比較大，隨著(zhù)真空度的升高，a-C:H膜的摩擦系數減小。
相關(guān)的研究者提出了表面鈍化懸鍵理論和摩擦化學(xué)理論來(lái)揭示真空度與a-C:H膜的摩擦系數之間的關(guān)系。高H含量的a-C:H膜表面的懸鍵大部分被H鈍化，在與對偶作用時(shí)產(chǎn)生較弱的范德華力，故在真空環(huán)境中表現出超低摩擦系數;而大氣環(huán)境中，由于摩擦化學(xué)作用，導致材料表面氧化，增加了與對偶之間的相互作用，引起摩擦系數升高。作為空間潤滑材料，高真空中的耐磨壽命是a-C:H膜性能評價(jià)重要指標。在已有的研究中，研究者更著(zhù)重摩擦系數方面的研究，而對其耐磨壽命的研究較少。已有結果表明，a-C:H膜在高真空條件下摩擦系數很低(0.001)，但其耐磨壽命很短。對于a-C:H膜在高真空條件下的摩擦與磨損行為的不一致性，國內外還沒(méi)有開(kāi)展系統的研究，相關(guān)的機理解釋也很少。
本文采用中頻非平衡磁控濺射技術(shù)制備了a-C:H膜，研究了從大氣環(huán)境到不同真空(1.0×105、5.0×10-2、1.0×10-2、5.0×10-3Pa)條件下的薄膜的摩擦磨損行為，并探討了相關(guān)的作用機理。
2、實(shí)驗
2.1、薄膜制備
采用非平衡磁控濺射沉積設備，以高純石墨(純度為99.99%)作為靶材，以Ar和CH4作為濺射氣體，在A(yíng)ISI202不銹鋼片和p(111)單晶硅兩種基體材料上沉積a-C:H薄膜�；w經(jīng)丙酮超聲清洗20min，然后置于真空室中用高能Ar+離子轟擊樣品表面30min后，依次沉積Si界面層和Si-C梯度層來(lái)提高薄膜與基體的結合強度。a-C:H膜的沉積條件為Ar和CH4的流量比為1:1，沉積氣壓為5.3×10-1Pa，濺射電流12A，脈沖偏壓為-200V，占空比20%，沉積時(shí)間為3h，沉積的薄膜厚度為1.4μm。
摩擦過(guò)程中跑合階段，薄膜表面吸附的物質(zhì)和結合較差的物質(zhì)被除去，在滑動(dòng)接觸界面上形成了轉移膜;在穩定期，由于轉移膜的形成，膜保持著(zhù)相對較低的摩擦系數。a-C:H膜中，H飽和了薄膜的表面懸鍵。常壓下，大氣中的水和O2吸附在薄膜表面，在摩擦過(guò)程中發(fā)生摩擦化學(xué)反應，破壞了薄膜表面的C—H鍵，增加了薄膜與對偶之間的相互作用，引起高的摩擦系數。隨著(zhù)真空度的升高，環(huán)境氣氛中的分子逐漸減少，與薄膜表面的化學(xué)作用減弱，H起到了很好的鈍化表面懸鍵作用，使得薄膜的摩擦系數較低。當真空度升高到5.0×10-3Pa時(shí)，環(huán)境氣體分子少到幾乎不與薄膜表面作用，碳碳間的相互作用最弱，使得薄膜的摩擦系數最低。在摩擦過(guò)程中，表面微凸體相互作用，在很短的時(shí)間內(只有幾毫秒甚至更短)，表面的溫度能達到1000℃以上。高真空中，氣體分子數少，摩擦對偶的導熱性變差，熱傳導低，使得摩擦接觸點(diǎn)的溫度升高，導致薄膜脫氫，結構發(fā)生改變而被磨穿，之后摩擦對偶材料間發(fā)生粘著(zhù)，使得摩擦系數忽然升高。
4、結論
(1)利用中頻非平衡磁控濺射技術(shù)制備了均勻、致密且表面粗糙度小的a-C:H膜，該薄膜由sp3、sp2雜化碳原子組成并含有一定量的C—H鍵，內應力為0.811GPa，硬度為9.31GPa。
(2)在1.0×10-2 Pa真空以下，a-C:H膜的摩擦系數變化不大，磨損率在10-7量級;在5.0×10-3 Pa真空下，a-C:H膜摩擦學(xué)行為就已經(jīng)發(fā)生突變，摩擦系數為0.005，但薄膜很快被磨穿。
