第十三届全国青年表面工程学术会议

137 / 2021-04-04 10:19:33

W对Si掺杂类金刚石薄膜高温摩擦学行为的影响研究

类金刚石；高温摩擦；钨过渡层；钨梯度掺杂

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采用等离子体辅助反应磁控溅射技术制备了以W为过渡层的掺Si类金刚石薄膜（W/Si-DLC）以及以W梯度掺杂的Si/W共掺的类金刚石薄膜（Si:W-DLC）。利用拉曼光谱仪（Raman）、纳米压痕仪（Nano-indentor）、X射线光电子能谱仪（XPS）和摩擦磨损实验机等方法分析了薄膜的结构、力学性能、表面成键特性和不同温度下的摩擦学行为。结果表明，随着温度的升高，两种薄膜的I_D/I_G值都不断升高，两种薄膜都发生不同程度的石墨化转变。W/Si-DLC和Si:W-DLC薄膜在RT ~ 500 °C温度范围内的摩擦系数都能保持在0.2以下。分别根据两种薄膜在500 °C下的磨痕进行XPS和力学性能的检测结果提出两种薄膜在500 °C下的减摩机理：其中W/Si-DLC薄膜在500 °C环境下被磨穿后W过渡层参与摩擦过程并发生摩擦化学反应生成WC和WO₃后与发生严重石墨化的碳膜形成新的复合减摩涂层。相比于梯度W掺杂Si:W-DLC薄膜的硬度从500 °C退火30 min前的 21.6 ± 0.6 GPa下降到退火后的 11.1 ± 1.1 GPa，降幅为48.6%；不掺W的Si-DLC的硬度在500 °C退火30 min后的硬度为7.3 ± 0.9 GPa，较沉积态时的19.8 ± 0.5 GPa下降了63.1 %。在高温环境下维持一定的力学性能和生成的WO₃润滑相和薄膜的石墨化的协同作用是Si:W-DLC薄膜在500 °C获得低摩擦系数的关键。