无氢类石墨碳膜制备及其摩擦学性能研究

【作者】 王永欣； 王立平； 张广安； 薛群基；

【机构】 中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室；

【摘要】 碳是世界上最奇特的元素之一,物理气相沉积技术能够成功在块体材料表面沉积无定形态碳基薄膜。研究表明该碳基薄膜具有优异的机械性能和摩擦学特性,可用作电子、机械、航空航天等领域内关键部件的防护材料。高硬类石墨碳膜（GLC）的存在,打破了传统碳膜机械性能和摩擦学特性取决于sp³含量的推断,高sp²结构和低sp³结构的类石墨膜（GLC）同样显示了其高硬高耐磨性。同时,含氢碳膜由于氢元素的存在,使其在流体特别是水环境中摩擦时迅速破坏,而无氢碳膜具有较好的环境适应性,在流体介质中能够保持其优异的摩擦学特性。本文采用非平衡磁控溅射法成功制备出了一种无氢类石墨碳膜,其厚度约780 nm。Raman分析可得其I_D/I_G约为2.5,XPS分析推测sp³仅为25%左右,显示出膜层为典型的类石墨结构特征。膜层内应力为压应力约为1.78 GPa,硬度约为22 GPa。无氢GLC膜在大气气氛干摩擦条件下表现出了优异的摩擦学特性,在大气环境中摩擦系数约为0.05,磨损率在4.5×10^-16m³/N·m左右;在去离子水中摩擦系数可进一步降至0.04,磨损率降至1.8×10^-16m³/N·m。更多还原