用载能离子调控纳米银晶粒来改善硬质类金刚石薄膜韧性

利用载能离子改善薄膜韧性并正确表征薄膜韧性是实现硬质无氢DLC（类金刚石碳）薄膜在绿色精密金属零件上产业化应用的一个关键前沿课题。本课题将载能离子银晶粒纳米化和薄膜韧性表征结合起来研究，利用多离子束载能离子调整无氢硬质含银DLC薄膜的纳米银晶粒尺寸、晶界间距、晶界滑移，制备兼备高硬度和高韧性的硬质DLC薄膜，探索硬质DLC薄膜韧化机理、薄膜韧性的正确表征和在超深钻探工况条件下的应用。在系统表征薄膜结构、性能、韧性和内应力的基础上，通过分析比较不同薄膜韧性表征结果，并通过薄膜内应力、结构和性能测试结果进行验证，尝试找到正确的薄膜韧性表征方法；与此同时，逐步揭示纳米银晶粒与载能离子、薄膜韧性之间的内在关系，合成兼备高硬度和高韧性的DLC薄膜，拓展载能离子沉积硬质DLC薄膜的产业化应用。

利用载能离子改善薄膜韧性并正确表征薄膜韧性是实现硬质无氢DLC（类金刚石碳）薄膜在绿色精密金属零件上产业化应用的一个关键前沿课题。申请人带领研究小组将载能离子银晶粒纳米化和薄膜韧性表征结合起来研究，利用多离子束载能离子调整无氢硬质含银等DLC 薄膜的纳米银晶粒尺寸、晶界间距、晶界滑移，制备兼备高硬度和高韧性的硬质DLC 薄膜，探索硬质DLC 薄膜韧化机理、薄膜韧性的正确表征和在超深钻探工况条件下的应用。研究结果表明：银掺杂能改变薄膜韧性：在DLC基质中弥散的纳米银晶粒能引起薄膜韧性变化，薄膜的韧性可以通过高的临界载荷（Lc）和好的耐冲击性能呈现出来，在非晶碳基质中掺杂适量质软且延展性好的银晶粒能够有效减低膜中的内应力并改善膜层的韧性。改变在DLC基质中弥散的铜纳米晶粒会引起薄膜韧性的变化，可以通过改善韧性来提高薄膜的综合摩擦学性能，原因在于在DLC基质中适度扩散的铜纳米晶粒可以形成高的ID/IG比、平滑表面和低摩擦系数，这样的扩散可以有效地抑制镁离子从镁合金中逸出，并因此改善薄膜的血溶性和保护性能。在离子束系统调试期间，利用反应中频对靶磁控溅射系统沉积了一系列氧化铬薄膜，确定出造成薄膜表面大颗粒和坑缺陷，利用正交实验和方差分析来优化工艺参数，揭示出靶电流、气体压力和基体负偏压对表面缺陷密度的影响。申请人作为国家高级访问学者，在德国弗劳恩霍夫表面工程和薄膜研究所（Fraunhofer IST）的金刚石研究室从事了金刚石薄膜的合作研究工作；利用热丝化学气相沉积在高钴硬质合金基体上成功制备了厚金刚石涂层，研究了其在地质勘探应用的可能性；薄膜展现了良好的生长和柱状结构，碳化硅中间层能有效提高薄膜的膜基结合力，并且能够阻隔钴相的扩散，避免了对基体进行化学预处理过程，金刚石膜在干摩擦中的平均摩擦系数0.134、油润滑中的0.0413和在砂浆中的0.184。.在系统表征薄膜结构、性能、韧性和内应力的基础上，通过分析比较不同薄膜韧性表征结果，并通过薄膜内应力、结构和性能测试结果进行验证，找到了薄膜韧性表征方法；与此同时，逐步揭示纳米晶粒与载能离子、薄膜韧性之间的内在关系，合成出兼备高硬度和高韧性的碳膜，探索了载能离子沉积硬质碳薄膜在地质钻探中的应用。