钛铜共掺杂类金刚石膜多元纳米复合结构内应力降低机理研究

Under the pressure of international energy shortage and global warming, the energy saving, emission reduction and reliability are the main challenges for automotive engine. The tribological properties of key components of engine show the big gap between the domestic automotive industry and its international counterpart. About 48% amount of engine work can be depleted due to the wear, and about 42.7% of engine assembly failures occurs as a result of too much wear of components. Diamond-like carbon (DLC) technique is versatile for overcoming the tribological problem of engine key components. Usually, due to the high internal stress (can be > 10GPa) accumulated during deposition process, the pure DLC will become invalid short after preparation. To solve the problems related to high internal stress, multicomponent nanocomposite microstructure is suggested in this project. Ti- and Cu- co-doping DLC thin films will be prepared by linear- anode-layer-ion-source assisted magnetron sputtering. And the mechanism of internal stress release will be studied by controlling the quantity, shape and distribution of carbide nanocrystals and/or metallic nanoclusters.

在国际能源短缺与气候变暖的双重压力下，汽车发动机面临的主要技术挑战是节能、减排与可靠性。我国汽车行业与国际同行的差距主要在于发动机关键零部件的摩擦磨损。摩擦会消耗发动机48%的能量,过量磨损会导致零部件失效，占发动机总成故障的42.7%。类金刚石(DLC) 膜技术是解决发动机关键零部件摩擦磨损问题的有效途径。但传统DLC膜在制备过程中会产生较高内应力（可达10GPa），从而导致薄膜失效。为解决DLC膜较高内应力问题，在综合考虑碳化物形成元素掺杂与非碳化物形成元素掺杂利弊的基础上，首次提出Ti-Cu-C膜系，采用离子源辅助磁控溅射共沉积技术在DLC膜沉积过程中同时掺杂碳化物形成元素Ti与非碳化物形成元素Cu，引入多元纳米复合结构，通过精确控制纳米晶碳化物及纳米晶金属团簇的数量、形态与分布，研究多元金属共掺杂协同降低DLC膜内应力的物理机理。

在国际能源短缺与气候变暖的双重压力下，汽车发动机面临的主要技术挑战是节能、减排与可靠性。我国汽车行业与国际同行的差距主要在于发动机关键零部件的摩擦磨损。摩擦会消耗发动机48%的能量,过量磨损会导致零部件失效，占发动机总成故障的42.7%。类金刚石(DLC)膜技术是解决发动机关键零部件摩擦磨损问题的有效途径。但传统DLC膜在制备过程中会产生较高内应力（可达10GPa），从而导致薄膜失效。为解决DLC膜较高内应力问题，在综合考虑碳化物形成元素掺杂与非碳化物形成元素掺杂利弊的基础上，首次提出Ti-Cu-C膜系，采用离子源辅助磁控溅射共沉积技术在DLC膜沉积过程中同时掺杂碳化物形成元素Ti与非碳化物形成元素Cu，引入多元纳米复合结构，通过精确控制纳米晶碳化物及纳米晶金属团簇的数量、形态与分布，研究多元金属共掺杂协同降低DLC膜内应力的物理机理。研究结果表明，随着掺杂金属含量的上升，薄膜表面颗粒团簇尺寸及缺陷数量有所增加。约10at.%的Ti掺入DLC膜后形成TiC晶体，Cu掺杂含量为2.5at.%时溶解在膜中，大于等于7.1at.%时膜中出现Cu晶体。DLC膜的sp2/sp3键比值随Cu掺杂含量的增加而增加，膜的残余应力则随之降低，膜/基结合强度相应增强。在Ti、Cu共同掺入DLC薄膜后由于形成TiC晶粒摩擦系数及磨损率有所上升，但继续增加Cu掺杂含量，DLC膜的摩擦系数和磨损率均得到改善，在Ti9.7Cu15.8DLC中得到最佳的摩擦学性能。此外，项目组研究了掺杂钨、钒、铬、氮等元素对DLC膜的力学性能、电化学性能以及电学性能的影响，获得了类似结论。通过本项目的展开，初步理解了类金刚石膜层降低内应力的物理机制，制备了具有优异力学性能的多元金属掺杂类金刚石膜。为类金刚石膜在工业领域的大规模应用做了初步探索。此外，基于类金刚石膜力学性能的研究基础，初步探讨了类金刚石膜的耐腐蚀性能及电学性能等其他性能，进一步拓宽了其应用领域。