多元共掺杂类金刚石碳膜的设计、制备及摩擦学特性研究

类金刚石碳膜的内应力极大限制了其应用。金属掺杂是降低类金刚石碳膜内应力的一条有效途径，然而却是以牺牲薄膜的sp3含量为代价。针对这一问题，本项目提出通过钛硅多元共掺杂调控类金刚石碳膜微结构的新思路。前期研究工作已证明该方法可行，并发现了共掺杂碳膜在大气环境下的超润滑现象。拟采用非平衡磁控溅射方法，通过设计靶材成份和优化工艺参数制备钛硅共掺杂类金刚石碳膜。研究工艺参数对薄膜组成、结构和性能的影响规律，揭示钛硅元素协同作用对薄膜微结构的调控机制及其与性能的关系。通过研究钛硅共掺杂碳膜在不同环境气氛和条件下的摩擦学行为，从薄膜结构、表面性质、环境气氛和摩擦化学的角度揭示掺杂元素对薄膜摩擦学性能的影响规律，阐明钛硅共掺杂类金刚石碳膜大气环境下超润滑机理，发展一种制备低应力和可控结构类金刚石碳膜的新途径。项目研究成果可为设计高性能或多功能的碳基润滑薄膜材料提供理论依据，具有重要的学术意义和应用价值。

本项目基于钛硅元素掺杂对类金刚石碳膜原子杂化方式的影响，设计制备了钛硅共掺杂的类金刚石碳膜。系统研究了中频磁控溅射工艺参数，如甲烷气体流量、沉积偏压和基底温度等，对共掺杂类金刚石碳膜生长速率、化学组成、表面性质、微观结构、力学特性以及摩擦学性能的影响规律，发现了钛硅共掺杂碳膜在大气环境下的超润滑行为。通过研究比较钛硅单一掺杂和共掺杂对类金刚石碳膜表面形貌、微观结构和摩擦学性能的影响，揭示了钛硅共掺杂对碳膜微结构的调控作用以及其在摩擦过程的协同效应对实现大气环境下超润滑的重要性。研究了环境气氛、测试条件和时效作用下类金刚石碳膜的摩擦学行为，通过分析摩擦轨迹和转移层的形貌和微观结构（碳原子杂化、氢原子的含量和成键方式），依据转移层理论从碳膜超光滑表面、转移层的形成、摩擦诱导石墨化、摩擦化学反应、转移层的类聚合物结构及其表面氢化作用等角度讨论了碳膜的超润滑机理。研究报道了基底运动方式对制备超润滑类金刚石碳膜的重要影响。根据类金刚石碳膜氩离子注入生长模型，阐述了原子掠入射诱导类金刚石碳膜形貌和微结构变化的机理，首次提出了磁控溅射技术沉积具有原子级超光滑表面的含氢类金刚石碳膜的方法及理论依据。本项目研究为设计和发展高性能碳基润滑材料提供了实验基础。