类石墨自润滑膜的表/界面结构设计及摩擦学行为研究

类石墨非晶碳膜，具有内应力小、承载能力高、不存在与黑色金属的"触媒效应"等优点，同时在保留较高硬度的前提下具有低摩擦系数和低磨损率，作为一种新型理想固体减摩、抗磨薄膜材料，在机械制造、船舶、汽车、家用电器、航天等领域具有广泛应用前景。但由于GLC薄膜的键态结构、氢含量与薄膜的高硬度低摩擦磨损性能密切相关，且GLC薄膜的自润滑摩擦磨损机理等问题的研究尚不清楚，本项目拟利用新型HIPIMS技术高的金属溅射离化率，结合离子束技术高的沉积速率和等离子体稳定的优势，通过不同表/界面结构设计，构筑并可控制备出不同氢含量的具有高硬度、低摩擦系数、良好膜基结合力的GLC薄膜，研究微结构与表观力学、摩擦学性能间的相互作用规律，揭示不同摩擦环境中的磨损机制，反馈优化参数，指导设计、可控制备出高硬、低摩、强膜基结合力的GLC自润滑薄膜材料，为其进一步重要工程化应用提供理论和实验基础。

本项目采用HIPIMS系统制备了GLC薄膜，HIPIMS电源采用直流电路和脉冲电路相并联的模式的高功率复合脉冲磁控溅射电源，研究了不同沉积工艺对GLC薄膜微观结构和力学性能的影响，并重点分析了沉积工艺对摩擦学行为的作用规律。结果表明：随着直流电流的增大，dc-MS GLC薄膜sp2含量增大，HIPIMS GLC薄膜sp2含量先减小后增大，在相同电流情况下，复合HIPIMS技术与dc-MS技术相比更有利于制备高sp2含量GLC薄膜，并且复合HIPIMS技术制备的高sp2含量GLC薄膜摩擦系数和磨损率低于dc-MS制备的GLC薄膜。随着脉冲电压的增大，GLC薄膜sp2含量先减小后增大，薄膜的摩擦系数先增大后降低，在脉冲电压为900 V时薄膜sp2含量最低，对磨球的转移膜中有H元素的存在，这是由于在摩擦的过程中薄膜中悬键与空气中的水蒸气发生反应造成的。. 随着基底偏压的增大，GLC薄膜中sp2含量先减小后增大，硬度先减小后增大，薄膜的致密性随着基底偏压的增大而增大。GLC薄膜在水和油环境下由于有液体润滑的作用，摩擦系数和稳定性都优于大气环境下。基底偏压为-50 V GLC薄膜由于致密性较低在水环境下的磨损率大于大气环境下，基底偏压为-200 V GLC薄膜由于高致密性可以有效阻止水分子的侵入，在水环境下磨损率低于大气环境下。在油环境中，由于可以形成连续有效的油润滑膜，GLC薄膜磨损率低于在大气和水环境下的磨损率。相关结果为可控制备高质量GLC薄膜，并促进其在摩擦学领域的广泛应用提供了理论依据和技术基础。. 值得一提的是，上述关于HIPIMS润滑涂层材料、技术及摩擦学行为的研究工作也进一步争取到973项目子课题“发展航空、汽车领域用高性能润滑材料”、国家自然科学基金面上项目和中科院重大仪器装备研制项目“高离化率磁控溅射技术”等资助。另外，由于HIPIMS技术制备的高sp2含量GLC薄膜的良好导电性，在聚合物电容器的负极具有潜在应用，促成企业合作项目一项，目前合作项目已进入产业化技术评估。