高温服役环境用多层DLC/SiC薄膜的制备及其摩擦学特性研究

In order to improve the tribological properties of diamond like carbon (DLC) films under high temperature, DLC/SiC films will be prepared due to the excellent oxidation resistance of SiC films under high temperature. The stress and temperature distribution of different interfaces will be simulated by finite element method. The interaction mechanism between DLC films and SiC fims will be explored. These results not only provide the new approaches for designing, deposition, and the application of the carbon-based film with excellent lubrication, withstand high heat, high reliability, but also provide a reference to enhance the tribological properties of other coatings under high temperature.

针对类金刚石（DLC）薄膜高温服役条件下快速失效的难题，鉴于碳化硅（SiC）薄膜高温下优异的抗氧化性能，基于多层协同增强设计思想，以提高DLC薄膜高温摩擦学特性为目标，将DLC和SiC薄膜耦合，实现DLC与SiC薄膜的集成，拓展DLC高温服役条件的应用。项目首先以有限元模拟研究DLC/SiC薄膜各界面的应力分布以及热传导过程中的温度分布，探索膜基界面相互作用机理以及多层薄膜的设计原则，随后以模拟计算结果为指导，采用磁控溅射薄膜沉积技术，构筑DLC/SiC多层体系，进而探索高温服役下各界面的结构演变以及与其摩擦学行为之间的关联，优化该体系的结构并提出高温摩擦过程中DLC/SiC多层薄膜摩擦磨损机理。研究成果不仅对高温用DLC薄膜设计、构筑及应用有重要指导意义，还对提升其他高温用薄膜体系摩擦学特性具有重要参考价值。

本项目针对类金刚石（DLC）薄膜高温服役条件下快速失效的难题，利用现有克服DLC薄膜高温摩擦学性能的方法（结构微观调控与多层体系构筑），采用磁控溅射技术，结合SiC高温抗氧化薄膜作为DLC薄膜的氧扩散阻挡层，以提高DLC薄膜高温摩擦学特性为目标，围绕多层DLC/SiC薄膜的制备及设计进行探索，对组成结构进行表征以及对其在不同温度下的摩擦学性能和相关机理进行探索，最终获得了在高温服役环境下摩擦学新能优异的多层DLC/SiC薄膜，项目主要取得了如下研究成果：.（1）采用有限元模拟了调制比和调制周期对多层DLC/SiC薄膜体系应力和应变的影响，得到了调制比和调制周期对多层DLC/SiC薄膜体系的设计准则；探讨了多层DLC/SiC薄膜对温度的不同响应，得到了多层薄膜温度分布的主动调控机制。.（2）采用磁控溅射制备了DLC薄膜，探讨了不同温度下DLC薄膜的摩擦学特性；采用磁控溅射制备了具有不同Si含量的Si-DLC薄膜以及具有不同F含量的F-DLC薄膜，分别考察了Si含量对Si-DLC薄膜以及F含量对F-DLC在不同温度下的摩擦学特性，揭示了不同温度下Si-DLC和F-DLC薄膜的摩擦机理。.（3）采用磁控溅射技术制备了SiC薄膜，考察了过渡层（金属Cr、Ti和非金属Si）以及磁控溅射参数（基底偏压、靶功率、沉积气压）对SiC薄膜结构、力学特性的影响，以力学特性为评判准则，选择力学性能较为优异的SiC薄膜，研究了其高温摩擦学性能和润滑表现，并通过加入C2H2得到了从室温到500 oC都具有优异摩擦学特性的富碳SiC薄膜。.（4）将单层DLC和单层SiC薄膜复合得到了多层DLC/SiC薄膜，考察了调制厚度比和调制周期等因素对多层薄膜力学性能和高温下的摩擦学性能的影响，揭示了不同温度下多层DLC/SiC薄膜的润滑机制。.通过本项目的开展，揭示了多层DLC/SiC薄膜在不同温度摩擦过程中的微观结构演变与损伤失效机制，开发了改善DLC薄膜在高温服役环境下润滑特性的方法，为克服DLC薄膜高温服役条件下快速失效提供了实验依据和技术支撑，同时也拓宽了高温服役条件下固体润滑材料的选择范围。本项目所有研究内容的执行和完成，具有十分重要的理论研究价值和广阔的应用前景。