选择性键合功能层/类金刚石纳米多层薄膜的增强增韧机制研究

How to make diamond-like carbon (DLC) films strengthening-toughening after coating theirs on the surface of mechanical parts and equipments, becoming theirs key technical problems in practical applications. The low adhesive strength of DLC films to substrate and low toughness directly affect theirs extension and application, however, single component DLC films are difficult to strengthen and toughen. This project intends to introduce three functional layers of strong-, weak- and non-carbides metal to prepare DLC-based nano-multilayer films by RF magnetron sputtering and pulsed cathode arc plasma technique. The effects of selective bonding feature and thickness modulation of functional layer on the adhesion of the film to substrate, toughness and tribological properties of the films will be investigated. Phase analysis and depth profiling help identify the correlation between composition gradient distributions at interface and function gradient of the films. The “three-layer diffusion” interaction model is improved to clarify the microscopic diffusion and reaction process of compositional atoms at interface of functional layer/carbon layer. Combining physical-chemical action with meso-microscopic mechanical point of view, the strengthening-toughening mechanism of DLC-based nano-multilayer films can be explained, thus providing the necessary theoretical and practical basis for engineering surface applications.

如何使类金刚石（DLC）薄膜涂镀到机械零部件和器械表面后增强增韧，是其实际应用必须解决的关键技术难题。DLC薄膜的低膜基结合强度和低韧性直接影响到它的推广应用，但是单组分DLC薄膜却很难具有增强增韧效果。本项目拟通过纳米多层途径，引入亲碳、弱碳、非碳化物三类金属作为功能层，采用射频磁控溅射和脉冲阴极弧技术制备DLC基纳米多层薄膜。研究功能层的选择性化学键合特性和厚度调制比对纳米多层膜的膜基结合强度、韧性和摩擦学性能的影响，借助物相分析和深度剖析，找出界面组成梯度分布与薄膜功能梯度的关联性。完善“三层扩散”界面交互模型，阐明功能层/碳层界面间组成原子的微观扩散和反应过程。结合物理化学作用和微细观力学观点，探讨DLC基纳米多层薄膜的增强增韧机制，进而为其工程表面应用提供必要的理论和实践依据。

类金刚石（Diamond-like carbon，DLC）薄膜具有高硬度、高弹性模量、低摩擦系数、良好耐磨损性等特性，可广泛用于机械零部件及医疗器械表面的保护层。然而，DLC膜常因高内应力造成的低膜基结合强度和低韧性等问题发生剥落、失效，单组分DLC膜却很难具有高强韧效果。项目实施中，选择亲碳、弱碳、非碳化物三类金属（Ti、Al、Cu）分别作为功能层和掺杂剂，采用磁控溅射、直流及脉冲阴极电弧等离子体技术制备了DLC基纳米多层复合薄膜。通过调整功能层和碳层的厚度、掺杂元素种类和含量、等离子体工艺（脉冲频率、靶电流、离子化氮源）等参数，研究了纳米尺度功能层的催化效应和掺杂元素选择性键合作用对DLC基膜的微观结构、组成、粘附强度、韧性、力学和摩擦学性能的影响。完善金属/碳基两相体系的“三层扩散与生长”界面交互模型，阐明组成原子之间的物理化学作用过程，探讨了DLC基纳米多层复合薄膜的强韧化机制。.结果表明，在金属/DLC双层膜中，厚度小于20nm的纳米金属中间层具有最大的尺寸效应，并对厚度小于110nm的DLC层具有最显著的催化效果，金属/DLC双层膜具有高硬度和低应力。Ti-DLC复合薄膜在残余应力降低的同时仍然保持着较高的硬度，其耐磨性能明显优于Cu-DLC和Al-DLC复合薄膜。由于Ti、Al与C原子之间的选择性键合特性，Ti、Al与C、N原子之间表现出不同的竞争反应机制。钛的氮化物和碳化物纳米晶的形成能显著改善（Ti，N）-DLC多层复合薄膜的硬度、韧性等力学性能。高能量C离子/原子和低能量Al原子有利于（Al，N）-DLC薄膜形成高含量sp3-C和N-sp3C键。在脉冲频率3Hz、Al靶电流80A的条件下制备的（Al，N）-DLC薄膜具有高含量的Al-N键、sp3C键和Al纳米晶，表现出高硬度、高模量和耐磨性、高韧性和较低的内应力。.设计金属/DLC纳米双层体系作为功能多层膜的结构单元，或者适当调整组成原子的能量密度，可以有效控制异质元素与碳的成键方式以及sp3/sp2杂化键含量，以形成高硬度、低残余应力、高强韧的DLC基薄膜。项目结果为DLC基薄膜在机械零部件和器械的表面处理提供了必要的理论和实践依据。