1143 / 2023-03-14 10:27:01

无氢Si-DLC薄膜的HiPIMS-DCMS共沉积制备及其高温摩擦学性能研究

采用HiPIMS-DCMS叠加沉积体系制备了不同硅含量的无氢掺硅类金刚石(Si-DLC)薄膜。系统研究了Si含量对薄膜的微观结构、力学性能和高温摩擦学性能的影响，验证Si-DLC薄膜作为高温固体润滑薄膜的可能性。结果表明，Si掺杂使得Si原子优先取代sp²杂化的碳原子，增加了sp³位点的数量，导致DLC膜的sp³/sp²比值明显增加，增加薄膜的热稳定性。同时,Si掺杂提高了Si-DLC薄膜的硬度和膜基结合力，降低了Si-DLC薄膜的残余应力。此外，研究发现微量的Si掺杂使得DLC薄膜在高温下具有优异的润滑性能。尤其是当Si含量为3.0 at.%时, Si-DLC膜在450℃下获得极低的摩擦系数，局部摩擦系数低至0.0046，平均摩擦系数为0.019，磨损率为2.16×10^-6 mm³/N•m。这主要是由于450℃高温下在摩擦副和薄膜对摩区域形成一层由大量sp²-C相和微量SiO_x组成的致密的转移层，在摩擦过程中提供了相当的润滑，从而获得了低摩擦系数。结果表明通过引入具有高温自润滑性的Si元素，可以同时获得优异的力学性能和摩擦学性能。