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掺铜对DLC膜力学性能影响研究

赵栋才  任妮  马占吉  邱家稳  肖更竭  武生虎  
【摘要】:类金刚石(DLC)薄膜因其高的内应力及其与基底的不匹配性导致了低的附着力,很难制备较厚的薄膜,这限制了大规模商业化生产。为了改善这种缺陷,可从提高薄膜附着力和降低薄膜应力两方面解决。本研究利用电弧离子镀膜技术,在高硬度的类金刚石薄膜中掺铜,研究薄膜硬度、应力等随铜含量的变化关系。电弧离子镀膜设备配备了四个阴极靶,其中一个阴极安装铜靶,其它的三个安装碳靶,通过在铜靶前设置栅网调节 DLC 膜中铜含量,制备了不同铜含量的几组样品。研究发现,随着铜含量的增加(小于6.3at.%),薄膜的硬度和应力保持下降;但当铜含量继续增大时(6.3at.%~17.8at.%),薄膜的硬度和应力基本保持不变。摩擦系数随着铜含量的增加,一直缓慢增加,并且磨损量也慢慢增加。导致这种变化关系的原因如下。铜的 d 轨道电子已满,不易于与其他元素发生发应。因此在 DLC 膜中掺铜, 不会明显的改变膜中 C-C 键的键合方式,铜原子会填充在某一个晶格位置,对应力释放有明显作用,但硬度也会有较大的损失。当铜含量增加时,被占据的晶格位置也增加。随着这种占据的晶格位置的增加,磨损量也跟着增大。

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