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碳膜的摩擦学性能评价及与CrCuN镀层耐磨性能比较

杜军  
【摘要】:非晶碳膜具有优良的摩擦学性能、光学性能、化学稳定性和生物相容性,具有广泛的应用前景。工业上已经利用它硬度较高、摩擦系数较低的特点作为保护膜使用。本文采用磁控溅射的方法,采用不同工艺、添加不同合金元素,制备一系列非晶碳膜,考察其摩擦学性能,并与磁控溅射CrCuN做对比。制备了无辅助气体轰击,N2、Ar、CH_4辅助气体轰击以及添加Ti、Cr元素一系列碳膜。采用纳米压入仪测定薄膜硬度,连续压入法测定膜基结合强度,球盘磨损试验机测定摩擦系数及比磨损率;XRD及XPS分析碳膜的相组成和化学组态。结果发现:随制备工艺不同,碳膜硬度最小5.5 GPa,最大15.9 GPa,摩擦系数0. 25,比磨损率10~(-15)m~3/Nm。无辅助轰击的碳膜硬度最低(5.5GPa),N2、Ar、CH4三种气体辅助轰击增加硬度,其中Ar效果最明显(12.4 GPa)。加入Ti的碳膜硬度最高(15.9 GPa),XRD表明碳膜中形成TiC,硬质相TiC增加硬度,但此时摩擦系数0.18。加入Cr的碳膜硬度为8.2 GPa,但摩擦系数最低(0.10),导致其比磨损率最低(2×10~(-16)m~3/Nm)。XRD和XPS表明碳膜中存在Cr单质及Cr的碳化物和氧化物。当载荷由10N增大到40N时,碳膜的摩擦系数由0.2降低到0.1,而且如果不去除磨屑,摩擦系数更低。而CrCuN摩擦系数为0.4-0.6,并且随和载荷增加而增大。

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