a-C:H膜在不同真空度下的摩擦学行为研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院兰州化学物理研究所 作者:吴艳霞

  采用非平衡磁控溅射技术在不锈钢及Sip(111)基体上制备了含氢无定形碳(a-C:H)薄膜,沉积的薄膜表面光滑,硬度高,内应力小,膜/基结合力好。利用球-盘摩擦实验机对薄膜在不同真空度(1.0×105、5.0×10-2、1.0×10-2、5.0×10-3 Pa)下的摩擦学行为进行了研究,结果表明,随着真空度的升高,薄膜的摩擦系数逐渐减小,磨损率逐渐增大。在5.0×10-3 Pa时,a-C:H膜的摩擦学行为发生突变,此时薄膜的摩擦系数为0.005,而耐磨寿命很短。高真空中,薄膜寿命的突变可能与薄膜脱氢而结构发生变化有关。

1、引言

  载人航天工程、空间实验室、星际探测器等空间高技术工业的发展,为我国经济建设、国家安全和科技发展做出了积极贡献。空间环境的重要特点之一就是高真空,在此环境下,金属表面的氧化膜在摩擦过程中很快被除去,洁净金属表面之间极易发生粘着,甚至冷焊,致使摩擦副不能相对运动,这对于空间运动部件来说是致命的。此外,常规的油脂润滑剂在苛刻的真空环境下,易发生蒸发、分解或交联而失效。所以,空间技术关键运动部件在真空环境中的润滑失效已经成为制约空间技术装备寿命和可靠性的瓶颈,因此,发展适合于高真空的高可靠性、超长寿命的润滑材料与技术具有重要意义。固体润滑材料由于具有低的蒸发率、较宽的温度区间、抗辐射、耐腐蚀等优点,是理想的真空润滑材料。含氢非晶碳膜(a-C:H)作为一种新型的固体润滑薄膜,具有高硬度、低摩擦系数、高耐磨性、良好的化学稳定性等,在空间高技术领域显示了重要的应用前景和价值。

  a-C:H膜是介于金刚石碳和石墨碳之间的一种非晶亚稳态结构,由一定比例的sp3、sp2杂化碳原子组成,同时含有一定量的氢原子。因制备方法以及测试条件、环境气氛等因素的不同,它的摩擦系数可在0.001~0.65范围内变化。Donnet研究了a-C:H膜在大气压及不同真空条件下的摩擦学行为,结果表明,在不同的真空度下,a-C:H膜的摩擦磨损行为相差比较大,随着真空度的升高,a-C:H膜的摩擦系数减小。

  相关的研究者提出了表面钝化悬键理论和摩擦化学理论来揭示真空度与a-C:H膜的摩擦系数之间的关系。高H含量的a-C:H膜表面的悬键大部分被H钝化,在与对偶作用时产生较弱的范德华力,故在真空环境中表现出超低摩擦系数;而大气环境中,由于摩擦化学作用,导致材料表面氧化,增加了与对偶之间的相互作用,引起摩擦系数升高。作为空间润滑材料,高真空中的耐磨寿命是a-C:H膜性能评价重要指标。在已有的研究中,研究者更着重摩擦系数方面的研究,而对其耐磨寿命的研究较少。已有结果表明,a-C:H膜在高真空条件下摩擦系数很低(0.001),但其耐磨寿命很短。对于a-C:H膜在高真空条件下的摩擦与磨损行为的不一致性,国内外还没有开展系统的研究,相关的机理解释也很少。

  本文采用中频非平衡磁控溅射技术制备了a-C:H膜,研究了从大气环境到不同真空(1.0×105、5.0×10-2、1.0×10-2、5.0×10-3Pa)条件下的薄膜的摩擦磨损行为,并探讨了相关的作用机理。

2、实验

  2.1、薄膜制备

  采用非平衡磁控溅射沉积设备,以高纯石墨(纯度为99.99%)作为靶材,以Ar和CH4作为溅射气体,在AISI202不锈钢片和p(111)单晶硅两种基体材料上沉积a-C:H薄膜。基体经丙酮超声清洗20min,然后置于真空室中用高能Ar+离子轰击样品表面30min后,依次沉积Si界面层和Si-C梯度层来提高薄膜与基体的结合强度。a-C:H膜的沉积条件为Ar和CH4的流量比为1:1,沉积气压为5.3×10-1Pa,溅射电流12A,脉冲偏压为-200V,占空比20%,沉积时间为3h,沉积的薄膜厚度为1.4μm。

  摩擦过程中跑合阶段,薄膜表面吸附的物质和结合较差的物质被除去,在滑动接触界面上形成了转移膜;在稳定期,由于转移膜的形成,膜保持着相对较低的摩擦系数。a-C:H膜中,H饱和了薄膜的表面悬键。常压下,大气中的水和O2吸附在薄膜表面,在摩擦过程中发生摩擦化学反应,破坏了薄膜表面的C—H键,增加了薄膜与对偶之间的相互作用,引起高的摩擦系数。随着真空度的升高,环境气氛中的分子逐渐减少,与薄膜表面的化学作用减弱,H起到了很好的钝化表面悬键作用,使得薄膜的摩擦系数较低。当真空度升高到5.0×10-3Pa时,环境气体分子少到几乎不与薄膜表面作用,碳碳间的相互作用最弱,使得薄膜的摩擦系数最低。在摩擦过程中,表面微凸体相互作用,在很短的时间内(只有几毫秒甚至更短),表面的温度能达到1000℃以上。高真空中,气体分子数少,摩擦对偶的导热性变差,热传导低,使得摩擦接触点的温度升高,导致薄膜脱氢,结构发生改变而被磨穿,之后摩擦对偶材料间发生粘着,使得摩擦系数忽然升高。

4、结论

  (1)利用中频非平衡磁控溅射技术制备了均匀、致密且表面粗糙度小的a-C:H膜,该薄膜由sp3、sp2杂化碳原子组成并含有一定量的C—H键,内应力为0.811GPa,硬度为9.31GPa。

  (2)在1.0×10-2 Pa真空以下,a-C:H膜的摩擦系数变化不大,磨损率在10-7量级;在5.0×10-3 Pa真空下,a-C:H膜摩擦学行为就已经发生突变,摩擦系数为0.005,但薄膜很快被磨穿。

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