关键词 ： 类金 刚石薄膜 ； 摩擦 学性能 ； 热稳定性 ； 内应力 ； 掺杂； 多层膜
１栩谜 梯度 Ｄ Ｌ Ｃ薄膜。研究得出 ｗ掺杂梯度复合薄膜磨损率小于 ５ ２ ０ ｍ ３ ， ｓ ， 类金刚石稻 Ｌ Ｑ 系列含有 ｓ Ｐ ２ 键和 ｓ ｐ键非晶碳膜物质的总 明显改善 了样 品的抗磨损性 能 ， 且随着 ｗ 靶终 端电流的增大 ， 薄膜 称， 具有优异的机械陛能， 其较低的摩擦系数和磨损量使之成为一种理想 的磨损率逐渐变小 。马胜哥 、 于大洋等利用 中频孪生靶非平衡磁 控 溅射制备 了 Ｃ ｒ ＋ Ｔ ｉ ＋ Ｔ ｉ Ｎ Ｃ ＋ Ｔ ｉ Ｎ Ｃ ＋ Ｃ ／ Ｄ Ｌ Ｃ多层 硬质膜 。研 究表 明薄 膜 研究表明亚稳态的类金冈 ｌ 尊 膜处于热力学非平衡状态 ，其原子徘 为多层膜结构且各层之 间的元素呈梯度变化 ， 薄膜层 的显微 硬度 可 列表现为短程有序而长程无序， Ｔ Ｐ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ 两相模型和 Ｆ Ｃ Ｎ ｍｏ ｄ ｅ ｌ 完全约 以达 到 Ｈ Ｖ ２ ０ ０ ０以上 ， 大大 提高 了 Ｄ Ｌ Ｃ膜与基体的结合力。 束网络椟基 猢 较为广泛的两种 Ｄ Ｌ Ｃ薄膜模型目 。Ｄ Ｌ Ｃ薄膜中碳原子 ２ ２ 离子束沉积制备 Ｄ Ｌ Ｃ薄膜 之问以共价键ｆ 日 结合， 含量较少的 Ｓ Ｐ 可以忽略不计 ， 因此 Ｄ Ｌ Ｃ 膜 的ｆ 生 质 离子束沉积具有良好的工艺可控陛， 沉积温度较低。 通过多种离子束 由Ｓ Ｐ ２ 和ｓ Ｐ ３ 的相对含量 泱定 ，因世 同工艺力怯 制备的 Ｄ Ｌ Ｃ膜的陛 沉积技术在 Ｄ Ｌ Ｃ膜 中添加其他元素可以制备多层 Ｄ Ｌ Ｃ薄膜用 以提高 能ｌ 氆 所不同。 Ｄ Ｌ Ｃ薄膜具有优良的物理化学 陛能， 其中包括高硬度和 Ｄ Ｌ Ｃ膜与基体的结合强度并改善薄膜的热稳定性。离子束辅助沉积法是 弹 陆漠量 、 低摩擦系数 、 高耐磨Ｉ 生、 高导热率 、 高电阻率、 良好的光学透过 以离子束沉积技术为基础 ， 在电子束蒸发沉积或离子束溅身 寸 移 Ｃ 积的同时 性、 化学隋性以及良好的生物相容眭等。 目前主要应用于机械 、 电子、 光学、 以高能离子束轰击沉积膜的生长表面用来提供形成 Ｄ Ｌ Ｃ膜的能量 。 离子 医学等领域。低摩擦系数是 Ｄ Ｌ Ｃ薄膜极其重要的性能 ，研究人员关于 体增强气相沉积是以碳氢气体为碳源的辉光放电沉积技术，通常采用甲 Ｄ Ｌ Ｃ薄膜的研究也大多集中在摩擦学领域 烷、 乙烷、 乙炔 、 苯、 丁烷作为碳源 ， 因而制得的 Ｄ Ｌ Ｃ膜都 定的氢。 ２ ＤＬ Ｃ薄膜制备及应用 朱宏等 人 使 用 源低能离子束辅助沉积方法制备了 Ｄ Ｌ Ｃ薄膜， 薄膜 Ｄ Ｌ Ｃ薄嗅制备技术的研究开始于＝十世纪七十年代。离子束沉积技 中的碳原子主要以 Ｓ ｐ ２ 一 Ｃ的形式存在。研多 表明单携｝ ｆ 氐 能离子竦 泐 沉 术是最早用于制备薄膜的方法 ， １ ９ ７ １ 年Ａ ｉ ｓ ｅ ｎ ｂ ｅ ｒ ｇ和 Ｃ ｈ ａ Ｊ ） ｏ 谌刁 生 积的类金刚石薄膜摩撩眭能好、 硬度高 、 薄膜与基体结合力较高。薄膜的 室温下制备了绝缘的碳膜 ， 命 名为 Ｄ Ｌ Ｃ薄膜 ， 并开始尝试用其构造薄膜 硬度随致密度｝ 勤Ⅱ 而增大 ， 寿命与其硬度基本成正比。薄膜与基体的结合 晶体管。随后 Ｓ ｐ ｅ ｎ ｃ ｅ ｒ 等人利用离子束增强沉积法制备了 Ｄ Ｌ Ｃ薄膜并展 力达到某一定值后对其摩擦幽 的影响不大 ， 开了研究 。二十世纪七十年代后期研究 人员开始分别用直流和高频放电 撩 陛能有一定的影响。在制备的薄膜样品中， 以离子能量 １ ２ ０ ０ ｅ ｖ 时沉积 制得 ＤＬ Ｃ薄膜。 目 前磁控溅射技术已成为最常用的制备工艺。 样品的摩擦性能最好 ，适合用 Ｄ Ｌ Ｃ膜在生长过程 中由于薄膜与基体的物化 陛能不匹配会产生较 合。汤文杰、 张跃飞等采用等离子 仓 为等离子体聚合装置， 以甲烷为单 大的内应力， 限制了薄膜的厚度。 通 携练 ． 薄膜中添加金属耍 险 体 ， 氩气为工作气体在单晶硅片上沉积了 Ｄ Ｌ Ｃ 薄膜 ， 并对其获得的 Ｄ Ｌ Ｃ 属元素（ 如Ｔ ｉ 、 Ｃ ｒ 等） 可以 有效的降低薄膜内 应力。 另外 ， 当薄膜使用温度 薄膜的摩擦学性能进行了研究 ，认为薄膜极低的摩擦系数是氢含量较高 高于 ２ ５ ０ ￣ Ｃ 时易于发生石墨化影响其摩擦学陛能的应用， 通过多层膜技术 以及碳原子以ｓ Ｐ ３ 形式有 所 引起的。 Ｅ ｒ ｄ ｅ ｍ ｉ ｒ 等研究了离子 噌强化学 制备掺杂其他元素的多层 Ｄ Ｌ Ｃ膜可以有效 的改善薄膜的热稳定性。 ２ １ 磁控溅射制备 Ｄ Ｌ Ｃ薄膜 度Ｒ Ｈ ＝ ５ ％－ ５ ０ ％的大气环境下 ， ＤＬ Ｃ 膜的摩擦系数会随着载荷的增大而 作为 Ｄ Ｌ Ｃ膜常用制备方法的磁控溅射技术具有沉积温度低、 沉积面 呈现出降低的趋势。这是由于 Ｄ Ｌ Ｃ膜在高载荷下更易发生石墨化转变 ， 积大等优 点，在一定程度 匕 符合工业生产的需要。通过磁控溅射技术在 在摩擦副表面形成转移膜 ， ６ ｌ 而使 曷部区域的润滑陆自 导 到改善。解志文 Ｄ Ｌ Ｃ膜中添加多种金属或者非金属元素可降低 Ｄ Ｌ Ｃ膜的内应力同时改 等采用等离子体沉积技术在 Ｇ Ｃ ｒ ｌ ５ 和２ Ｃ ｒ １ ３ 钢基体表面合成了 Ｔ ｉ ／ Ｄ Ｌ Ｃ 善薄膜的热稳定 陛。 磁控溅射技术以石墨为碳源， 以情 陛气体离子溅射石 和 Ｗ／ Ｄ Ｌ Ｃ纳米多层膜并分析了其摩擦学性能。 研究表明多层膜结构有效 墨靶产生碳原子和碳离子 ， 进而再基体表面沉积形成 Ｄ Ｌ Ｃ膜。通 ＾ 气体 地改善了 Ｄ Ｌ Ｃ膜和软基体的结合自 旨 力， 薄膜睡 彗 能好、 磨损量少 目 薄膜 为Ａ ｒ 和烷 气体） ｝ 昆 合气时还可获得含氢的Ｄ Ｌ Ｃ 膜。 的硬度和弹 幽 封 氐 。 赵之明采用磁控溅射技术用射频、 直流溅射法在 单晶硅片 、 抛光不锈 ２ ３ 真空阴极电弧沉积法市 备Ｄ Ｌ Ｃ薄膜 钢片、 玻璃基底表面制备了 Ｄ Ｌ Ｃ膜。 真空阴极电弧沉积设备简单 、 离化率大且沉积速率高 。 通过 瓜 装置 表面粗糙度低于直流磁控溅射制备的薄膜，并 目直流磁控溅射制备的薄 引燃电弧 ， 在电源的维持和磁场的推动下电弧在靶面游动， 电弧所经 披 联９ 挛擦系势 Ｌ 较低。张以忱、 巴德纠搀 研究 ＾ 员采用 中频磁姥 弛ｉ 于 沉 ≯ ｛ ｛ 导 碳被蒸发并离化进而沉积得到薄膜。西南交通大学材料工程学院徐禄祥、 到Ｄ Ｌ Ｃ复合薄膜并对其孪擦学性能进行了研究。 研究表明 Ｄ Ｌ Ｃ ／ Ｔ ｉ Ａ １ Ｎ薄 孙永 春等用磁过滤脉冲真空弧沉积技术在不 膜的耐磨眭要好于Ｔ ｉ Ａ １ Ｎ薄膜和 Ｄ Ｌ Ｃ薄膜， Ｄ Ｌ Ｃ ／ Ｔ ｉ Ａ １ Ｎ薄膜的耐腐蚀胜 使得不锈钢表 面耐磨ｌ 生大幅压 ￡ 提高。 能略好于 Ｄ Ｌ Ｃ薄膜。 孙丽丽等利用线 胜离子束混合磁控溅射技术在硅基 曾志翔采 用真空阴极电弧沉积法制备 了含氢 Ｄ Ｌ Ｃ薄膜， 并对其在真 底上制备 Ｃ ｒ 过渡层和 ｃ ｒ 掺杂 Ｄ Ｌ Ｃ薄膜。研究发现增加 ｃ ｒ 过渡层或在 空和氮气中的摩擦学Ｉ 生 能进行研究 ， 发现 Ｄ Ｌ Ｃ Ｄ Ｌ Ｃ薄膜中掺杂 ｃ ｒ 后薄膜的内应力明显 良小， 同时薄膜的附着力和摩擦 数的大小关系为低真空 ＞空气 ＞ 干燥空气 ＞ 氮气， Ｎ ： 是保持低摩擦系数 性能得到了 明显的改善。 杨雨时等利用磁控溅射和 Ｐ Ｅ Ｃ Ｖ Ｄ 相结合的复合 因素，气氛中 Ｈ ： ０ 、 ０ ： 则会增大 Ｄ Ｌ Ｃ 薄膜的 沉积技术， 制备了 Ｗ— Ｄ Ｌ Ｃ薄膜。 研究发现对于 Ｗ— Ｄ Ｌ Ｃ薄膜 的工 摩擦系数。 艺条件下， 均可制备出厚度超过 ５ ｍ的薄膜。选择合适的工艺参数和钨 ３ ＤＬ Ｏ薄膜摩擦学应用展望 的掺杂比冽， 可以有效地提高薄膜的硬度， 降低薄膜的内 应力和磨损率并 固体润滑剂的出现 ， 既弥补了流体及半流体润滑剂（ 如润滑油 、 润滑 减小薄膜的摩擦系数。杨义勇用离子束辅助非 脂） 不能再苛刻条件下有
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类金 刚石薄膜 摩擦学性 能研究现状
陈 淼 ’ 陈 浩 王洪涛 。 聂英斌 ’ （ １ 、 吉林工业职业技 术学院， 吉林 吉林 １ ３ ２ ０ １ ３ ２ 、 天津商业大学宝德 学院 ， 天津 ３ ０ ０ ３ ８ ４ ３ 、 中钢集 团吉林铁合金股份有限公 司， 吉林 吉林 １ ３ ２ ０ ０ ２ ）
摘 要： 本文综述 了类金刚石薄膜材料常用的制备工艺及 其相 应结构和摩擦 学性 能。针 对该薄膜材料在应用过程 中存在的热稳 定性 差及 内应力较 大两方 面问题 ， 阐述 了 目前应用较为广泛 的解 决工艺。结合 Ｄ Ｌ Ｃ薄膜优 异的摩擦学性能展望 了其在 空间固体 润滑技 术领
域 以及 新 能 源领 域 广 泛 的 应 用 前 景 。