氧化铬薄膜摩擦磨损行为的尺度效应及机理研究

伴随着微电子元器件与微机电系统的小型化，摩擦磨损实验参数的尺寸效应、材料及系统结构的尺寸效应日益考验着传统的摩擦学理论。完善和建立适应尺度效应的新摩擦学理论体系成为当前材料学和摩擦学科技工作者研究的重大课题。本课题以脆性氧化铬薄膜为载体，通过工艺控制得到不同的晶粒尺寸、晶体取向、薄膜厚度、表面粗糙度等，以摩擦磨损测试仪，纳米力学测试系统，原子力显微镜等为手段，分别研究薄膜的结构、力学性能与不同尺度下摩擦磨损性能之间的对应关系，建立不同尺度下摩擦磨损性能与薄膜的结构和力学性能之间的理论模型，并研究水介质对氧化铬薄膜宏、微观摩擦磨损性能的影响及其机理。进而，明确阐述脆性薄膜摩擦磨损行为的尺度效应及作用机理，为微电子和微机械的设计、安全使用和评估提供理论基础和数据支持，同时进一步推动新的摩擦学理论体系建立。

本项目研究了脆性薄膜材料的制备、结构表征、力学性能测试及摩擦磨损性能之间的关系。研究表明在微观磨损条件下水环境中薄膜的摩擦系数较空气中有所提高，耐磨性下降明显，与宏观摩擦磨损结果不同。当水分子到达界面参与界面反应时，薄膜与基体的粘结强度显著降低。相对湿度显著的影响氧化铬薄膜的宏观磨损性能，随着相对湿度的增大，薄膜的摩擦系数明显降低，磨损率也随之减小。在磨损过程中，水分子与薄膜发生摩擦化学反应，生成氢氧化铬的反应膜，有助于改善磨损状态。同时考虑到氧化铬薄膜的局限性，我们还开展了其它脆性薄膜材料摩擦磨损性能及摩擦腐蚀性能研究，例如，研究了有无支撑层的类金刚石薄膜的宏观摩擦磨损行为，研究表明支撑层的存在显著改善复合膜的耐摩擦磨损性能和结合强度；研究了不同环境下氮化钛薄膜的宏观摩擦磨损及摩擦腐蚀行为研究，研究表明氮化钛在大气中的摩擦磨损较人工汗液和人工唾液严重，主要是由于液体的润滑作用，大气和液体润滑下摩擦磨损的机制不同，在人工汗液和人工唾液环境中不仅是磨粒磨损还有腐蚀磨损。还研究了离子注入对钴铬钼表层结构及力学性能的改变，系统研究了表面结构的变化与摩擦磨损性能及摩擦腐蚀性能之间的关系。