微波等原子体化学气相沉积金刚石-石墨复合薄膜及其摩擦学性能研究

【作者】 田清泉； 黄楠； 杨兵； 郭宇宁； 庄昊； 刘鲁生； 姜辛；

【机构】 中国科学院金属研究所,沈阳材料国家(联合)实验室功能薄膜与界面研究部； 德国锡根大学表面技术与材料工程研究所；

【摘要】 利用微波等原子体增强气相沉积技术生长金刚石-石墨复合薄膜,通过扫描电子显微镜、XRD、拉曼光谱和透射电子显微镜分析复合薄膜的微观组织结构和化学成分。结果表明:当甲烷浓度较低时（1⁵ at.%）,薄膜具有典型的柱状晶结构,柱状晶面主要为（111）,金刚石相纯度较高,非金刚石相含量较低。晶粒尺寸大小约为几个微米,薄膜厚度2³μm;当甲烷浓度增大时（6 at.%）,薄膜中金刚石相纯度降低,非金刚石相含量增大,薄膜中晶粒尺寸急剧减小,典型的柱状晶结构消失,主要为纳米晶,晶部分晶粒呈棒状结构。随着甲烷浓度进一步增大到7 at.%,拉曼结果表明薄膜中非金刚石碳含量急剧增大,形成金刚石-石墨复合结构。通过高分辨率TEM研究,薄膜中金刚石相主要以纳米线及纳米颗粒形式存在。金刚石纳米线为核壳结构,核心为单晶金刚石纳米线,其直径约6.5nm,外壳为石墨相包裹层,厚度约为8 nm。通过以上结构演化过程,可以认为高功率和高甲烷浓度是形成金刚石-石墨复合薄膜的主要因素。低甲烷浓度下,原子H具有足够高的浓度,且原子H刻蚀非金刚石碳速率远大于金刚石碳速率,因此可以较充分刻蚀沉积过程中形成的非金刚石碳,形成纯度较高的金刚石膜。而在高甲烷浓度下,原子H浓度相对降低,难以完全刻蚀沉积过程中形成的非金刚石碳,从而形成了金刚石-石墨复合结构。最后,我们利用球盘式摩擦磨损试验机（MST-3000）研究了复合薄膜摩擦磨损性能。研究发现:使用Al₂O₃对磨副,其平均摩擦系数为0.11,磨损率为1.9×10^-7mm³/N·m。复合薄膜中石墨相的引入,降低薄膜的磨损率,同时也降低了对磨副的磨损率。相对于纯金刚石膜,石墨相的引入,极大降低了金刚石晶粒对对磨副的犁削作用,在工程应用中具有重要意义。更多还原