水润滑系统中高承载非晶碳基薄膜的研究

采用无毒、无味、环境友好且储量丰富的水为介质的水润滑系统，作为一项新兴的绿色润滑技术，在工程机械、船舶、汽车、电力、机械加工、食品加工等领域有着广阔的应用前景，越来越受到国内外的关注。但由于水缺乏润滑性能，极大地限制了水润滑系统的推广应用。非晶碳基薄膜在水中具有优异的减摩耐磨性能，是水润滑系统中的理想材料之一。然而，在水中的摩擦容易导致薄膜的局部剥落，引起润滑失效，薄膜缺乏足够的承载能力。进一步提高薄膜的承载力是加速实现其应用进程的关键所在。本项目拟采用溅射、反应溅射或多源溅射与RF-CVD相结合的方法，用双或多功率源来沉积梯度过渡层和非晶碳基薄膜，系统研究沉积方法、工艺条件与过渡层和薄膜的组成、物理和力学性能及其水中承载力的相关性，进一步揭示非晶碳基薄膜的剥落机理，建立沉积梯度过渡层和碳基薄膜的统计模型，为提高该类薄膜的承载力提供新的解决方法和理论指导。

非晶碳基薄膜在水中摩擦时容易发生局部剥落，引起润滑失效，为了进一步提高薄膜在水中的承载力和可靠性，加速其应用进程，本项目主要采用（1）双源溅射与RF-CVD，（2）溅射、反应溅射与RF-CVD相结合的方法进行了引入梯度过渡层的非晶碳基薄膜沉积工艺对薄膜性能、特别是水润滑条件下抗剥落性能影响的研究。采用双源溅射与RF-CVD相结合的方法，研究了引入无氢梯度过渡层的非晶碳膜和掺硅非晶碳膜的沉积工艺对薄膜力学和摩擦学性能的影响，发现多靶溅射过程中由于磁场耦合的影响，在基体施加射频功率后溅射气体对薄膜的轰击作用较强，虽然在低溅射气体流量和低基体射频功率可以得到典型的非晶碳膜和掺氮非晶碳膜，但薄膜的厚度受到极大地限制，所得薄膜摩擦学性能较差。.进一步采用溅射、反应溅射与RF-CVD相结合的方法，研究了含氢掺硅梯度过渡层及含氢掺硅非晶碳膜沉积工艺对薄膜性能的影响，发现施加在基体上的射频功率对薄膜的摩擦性能影响不大，但对薄膜的构成及力学与耐磨损及抗剥落性能有较大影响。较低的射频功率会导致部分聚合物结构的生成，薄膜的力学性能及耐性能较差，射频功率过高则会引起沉积梯度过渡层时溅射气体对过渡层的刻蚀作用增强，使过渡层厚度减小、强度降低，所得薄膜的抗剥落性能较低。射频功率为60W时薄膜具有较高的抗剥落性能。在60W射频功率下延长纯Ti金属层可进一步提高薄膜的抗剥落性能，在10-60N较大载荷范围内的水润滑条件下均未发现薄膜剥落现象，薄膜的抗剥落性能得到了显著提高，同时薄膜显示出较好的可靠性。与此对比在前期进行的溅射、反应溅射沉积所得薄膜虽然在30-110N的高载荷下未见薄膜的剥落现象，但在5-20N的低载荷下却容易发生局部剥落现象，认为这与薄膜抗疲劳强度较低有关。另外，基体温度较高时容易发生沉积过程中薄膜的剥落，以较低沉积温度较好。