碳-氮基薄膜結構、力學性能及水環(huán)境中摩擦與腐蝕特性研究.pdf

1、本文分別通過過渡族元素Ti、Cr摻雜及C摻雜,緩解非晶碳(a-C)薄膜及TiN、CrN薄膜的內(nèi)應力;增加膜基間粘附強度;提高薄膜硬度;并系統(tǒng)地研究了過渡族元素Ti、Cr摻雜量對a-C薄膜及C摻雜量對TiN、CrN薄膜成分、結構、力學性能、水環(huán)境中摩擦學及模擬人體體液中電化學性能的影響;探討了薄膜結構變化與摩擦機制之間的內(nèi)在聯(lián)系:
　　1)采用非平衡磁控濺射制備了不同Ti摻雜量的Ti/a-C薄膜。當Ti靶電流為0.5A時,低含量的T

2、i以固溶體形式存在于Ti/a-C-0.5薄膜中,晶格畸變效應使薄膜的硬度提高至27.5GPa,縮短a-C薄膜的磨合距離并降低摩擦副的磨損率;而當Ti靶電流提高至1~2A時,類金屬Ti和TiC顆粒形成并分布在a-C基材中,打斷a-C薄膜中碳網(wǎng)的連續(xù)性,導致硬度下降至15~17.5GPa,且TiC顆粒的磨粒作用使Ti/a-C-1、Ti/a-C-1.5、Ti/a-C-2薄膜與SiC及Al2O3球在水中對磨時發(fā)生剝落失效。而Si3N4球水合反應

3、生成的潤滑膜和SUS440C球氧化反應生成的氧化物粘附在薄膜表面,使得Ti/a-C-1、Ti/a-C-1.5、Ti/a-C-2薄膜保持完好。
　　2)采用非平衡磁控濺射制備了不同Cr摻雜量的Cr/a-C薄膜。當Cr靶電流為0.5~2A時,Cr/a-C薄膜中均形成了類金屬Cr或碳化鉻顆粒,打斷了a-C薄膜碳網(wǎng)的連續(xù)性,使薄膜的硬度下降至11.6~13.7GPa。具有較好韌性的Cr/a-C-0.5薄膜縮短了a-C薄膜的磨合距離并降低摩

4、擦副的磨損率;而當Cr靶電流為1~2A時,碳化鉻顆粒易發(fā)生水合反應生成氧化鉻,在對磨過程中氧化鉻作為磨粒主導了磨損機制,無論對磨件為何種材料,均使Cr/a-C-1、Cr/a-C-1.5、Cr/a-C-2薄膜發(fā)生了剝落失效。
　　3)采用非平衡磁控濺射制備了不同C含量的TiN(C)薄膜。由于a-CNx相的存在,使TiN(C)薄膜的硬度提高至27~32GPa,然而隨著C摻雜量的提高,TiN(C)薄膜中逐漸形成a-C相,使得薄膜硬度呈線

5、性下降趨勢;因SiC、Si3N4球水合反應生成的潤滑膜,TiN、TiN(C1)、TiN(C2)、TiN(C3)薄膜與之對磨時顯示較低的摩擦系數(shù)且保持完好,而TiN(C4)薄膜由于硬度過低發(fā)生磨穿失效;Al2O3球的高硬度及穩(wěn)定性,使TiN(C)薄膜與之對磨時都發(fā)生磨穿失效;而SUS440C球在水中容易發(fā)生粘著磨損,增大了摩擦界面的粗糙度,導致摩擦系數(shù)高且不穩(wěn)定。
　　4)采用非平衡磁控濺射制備了不同C含量的CrN(C)薄膜,隨著C

6、摻雜量的提高,薄膜中逐漸形成了a-CNx及碳化鉻晶相。后者在對磨過程中易發(fā)生水合反應,生成具有磨粒作用的Cr2O3,因此當CrN(C)薄膜與高硬度的SiC及Al2O3球對磨時,CrN(C)薄膜均發(fā)生磨穿失效;由于Si3N4球在水中易發(fā)生水合反應,生成具有潤滑效果的氧化硅膠狀膜,保護了CrN(C1)薄膜,而CrN(C2)、CrN(C3)、CrN(C4)薄膜中較多的碳化鉻生成的Cr2O3磨粒打破了氧化硅膠狀膜的保護作用,使薄膜發(fā)生磨穿失效;

7、類似的,SUS440C在水中易發(fā)生氧化反應,生成的氧化物粘附在薄膜表面,保護了CrN(C1)薄膜,而CrN(C2)、CrN(C3)、CrN(C4)薄膜同樣發(fā)生磨穿失效。
　　5)Ti/a-C及Cr/a-C薄膜在模擬人體體液中均能起到保護316L不銹鋼的作用。隨著Ti摻雜量的提高,Ti/a-C薄膜中sp2鍵含量提高,增加了薄膜的導電性,且薄膜致密度下降,導致薄膜呈現(xiàn)逐漸削弱的電化學特性,而隨著Cr摻雜量的提高,Cr/a-C薄膜中sp

8、3鍵含量提高,增加了薄膜的絕緣性,促使薄膜呈現(xiàn)逐漸增強的電化學特性;CNx相的生成,使TiN(C1)、TiN(C2)、TiN(C3)薄膜在模擬人體體液中表現(xiàn)出優(yōu)于316L不銹鋼的抗腐蝕特性,而TiN薄膜稀疏的表面形貌及TiN(C4)薄膜中高含量的a-C,削弱了其在模擬人體體液中的抗腐蝕特性。類似的,CrN、CrN(C1)、CrN(C2)、CrN(C3)薄膜因其致密的表面形貌及氧化鉻鈍化膜,在模擬人體體液中表現(xiàn)出優(yōu)于316L的抗腐蝕特性,