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(jī)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(jī)械耐磨涂層、光學(xué)窗口、聲表面波裝置(SAW) 、微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS) 以及半導(dǎo)體材料等都有著巨大的應(yīng)用前景。自80 年代以來,其作為新型功能材料一直是各國(guó)薄膜技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。近幾年來,我國(guó)在CVD 金剛石薄膜的制備技術(shù)、制備裝置、基礎(chǔ)研究和應(yīng)用領(lǐng)域方面都取得了長(zhǎng)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),綜述了近年來國(guó)內(nèi)外關(guān)于其摩擦學(xué)性能的研究,著重討論了金剛石薄膜的摩擦學(xué)機(jī)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?xì)庠春蜌?氧、氬) 氣,在高溫?zé)峤饣虻入x子體激活作用下活化,產(chǎn)生大量的含碳基團(tuán)(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(tuán)、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(jié)構(gòu)的金剛石薄膜。經(jīng)過近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(shù)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(shù),較高的耐磨性,良好的化學(xué)穩(wěn)定性,是一種優(yōu)異的表面抗磨損改性膜。下面對(duì)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(jī)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(jié)果。由于在制備過程和測(cè)試過程中,眾多不確定因素(如沉積溫度,反應(yīng)氣源,環(huán)境濕度,實(shí)驗(yàn)載荷與溫度等) 的影響,使得各人的研究結(jié)果有很大的差異,始終不能得到一致的摩擦學(xué)機(jī)理。Field 等人對(duì)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(xiàn),其摩擦學(xué)行為和機(jī)理基本相同。但是,天然的金剛石顯示各向異性效果。他們認(rèn)為,金剛石薄膜的磨損機(jī)理有兩個(gè):一是接觸點(diǎn)的剪切引起的粘著效應(yīng),二是由于表面層的塑性變形導(dǎo)致的犁應(yīng)力。Gardos等研究認(rèn)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摩擦行為,而鍵的斷裂則控制著磨損行為。Ali Erdemir 等人根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出金剛石薄膜的摩擦學(xué)機(jī)理主要有:

　�、俦砻婀饣�度。當(dāng)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(dǎo)致摩擦系數(shù)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(yīng),改善摩擦性能。

　�、诒砻婊瘜W(xué)結(jié)構(gòu)。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,表面之間的粘著效應(yīng)就基本消除,摩擦磨損就會(huì)降低。

　�、巯噢D(zhuǎn)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(zhuǎn)移,金剛石石墨化,石墨是一種很好的固體自潤(rùn)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(jié)構(gòu)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(duì)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論是在空氣中還是在干燥的氮?dú)庵?都具有非常低的摩擦系數(shù)(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(xiàn),(100) 取向的金剛石薄膜相對(duì)于(111) 取向的金剛石薄膜表現(xiàn)出較好的摩擦磨損性能。此外,隨著金剛石薄膜中SP2結(jié)構(gòu)無定形碳的增加,其磨損率增大,但對(duì)摩擦系數(shù)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(yàn)環(huán)境,金剛石薄膜表現(xiàn)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(shù)和磨損率分別高達(dá)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)性能得到顯著改善,具有較低的摩擦系數(shù)( < 0.1) 和磨損率(10 ^{- 7}～10 ^{- 8} mm³PN·m) 。目前,人們普遍認(rèn)為,金剛石薄膜表面懸鍵和表面鈍化決定著其在不同環(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(qiáng)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(jī)液體如醛、酮等吸附物對(duì)金剛石薄膜表面懸鍵的浸透導(dǎo)致表面鈍化,使得金剛石的摩擦系數(shù)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(qiáng)烈相互作用的懸鍵,從而使金剛石薄膜摩擦系數(shù)高達(dá)1.0 以上。

　　在高的實(shí)驗(yàn)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(shù)高達(dá)0.9～1.2 ,這主要由薄膜的表面粗糙度決定;穩(wěn)定階段,摩擦系數(shù)迅速下降到0.09～0.15。真空技術(shù)網(wǎng)認(rèn)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(dǎo)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(jié)構(gòu)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(duì)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(jié)果發(fā)現(xiàn),納米金剛石薄膜與碳鋼之間的摩擦系數(shù)(～0.2) 要比與Al 合金(～0.09) 和Al2O3 陶瓷(～0.08) 之間的摩擦系數(shù)高出2 倍多;而對(duì)于磨損,其與Al 合金的磨損最高,與碳鋼的磨損最低。作者認(rèn)為,與碳鋼之間的高摩擦系數(shù)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;而在摩擦過程中Al 和O2 生成堅(jiān)硬的氧化膜則導(dǎo)致金剛石薄膜與Al 合金之間高的磨損率。P.Niedzielski 等發(fā)現(xiàn)納米晶金剛石薄膜與木質(zhì)材料之間的摩擦系數(shù)要比與金屬材料之間的摩擦系數(shù)高出幾倍,這可能是由于木質(zhì)材料本身的結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致其表面比較粗糙,從而引起高的摩擦系數(shù)。