论文摘要
类金刚石(DLC)薄膜是一种在实际生产中应用广泛的涂层,它由于具有较高的硬度,良好的导热性能,高的红外透过率,很低的摩擦系数,良好的生物相容性等,通常被用来做切削刀具的保护涂层,光学上的增透层,各种活动工件的润滑层以及生物材料的表面改性层。但是由于DLC薄膜在sp3含量较低时硬度较低而润滑作用较好,在sp3含量高时自身应力较大,使得薄膜和衬底的附着力较差,而过大的内应力使得薄膜的厚度被限制,并且DLC和金属的热膨胀系数相差较大,使得DLC薄膜和金属衬底之间的结合力变得很差,这在很大程度上限制了DLC薄膜在实际中的应用。通常解决这一问题的办法是向DLC中掺入金属元素,从而在DLC薄膜中形成金属碳化物的纳米颗粒,通过这些纳米颗粒来降低DLC膜的内应力,提高和金属基底的结合力,也有用沉积多层膜的办法来解决这一问题,但是,金属元素的掺入不可避免的提高了复合DLC膜的摩擦系数,从而降低了其使用寿命。也有人采用CVD的方法或者物理超声掺杂的方法来向DLC膜中嵌入纳米颗粒,但是这些方法都过于复杂,难以得到实际应用。本文通过磁控溅射的方法,利用Ar离子同时轰击石墨靶和均匀涂覆在石墨靶上的纳米颗粒的办法沉积纳米颗粒复合DLC薄膜。主要研究结果分为以下两部分。1.通过将纳米金刚石颗粒的分散溶液均匀的涂覆在石墨靶的表面,用磁控溅射的方法成功的将金刚石纳米颗粒嵌入到DLC薄膜的非晶碳结构中,得到了均匀掺杂纳米颗粒的复合DLC薄膜。通过Raman光谱,透射电子显微镜,X射线衍射等方法研究了薄膜中的纳米复合结构,并通过改变掺杂的浓度来影响纳米颗粒在DLC膜中的分布。此外,还采用了纳米压痕仪应力测试仪来测试复合DLC膜的机械性能。这中掺杂方法降低了DLC膜的内应力,提高了其硬度。并且制备方法简单,相较于金属元素的掺杂,纳米金刚石颗粒的掺入没有提高薄膜的摩擦系数,也达到了同样的效果。这种掺杂方法具有很好的可操控性,有大规模工业化的应用价值。2.通过将C60分子的分散溶液均匀的涂在要溅射的高纯石墨靶表面,用射频磁控溅射的方法进行复合DLC薄膜的沉积,从而得到C60分子镶嵌的复合DLC薄膜结构。采用Raman, TEM, XRD等分析方法进行了薄膜结构的分析,通过分析发现,薄膜中的C60分子发生团聚行程纳米颗粒,并且这些纳米颗粒均匀分布在DLC膜的非晶碳网格当中。通过机械性能的测试发现,薄膜的硬度和弹性均没有提高。但是这种方法也具有很好的意义,进一步提高C60分子的分散度可以得到更好的C60分子的复合结构,从而很好的提高负荷DLC薄膜的硬度和弹性。也可以将C60分子掺入到其他的材料当中形成复合结构的薄膜,来研究新的薄膜的结构和性质。总之,这种新的掺杂方法提供了一种新的掺杂思路,使得对DLC膜或者其他的薄膜进行增强改性有了新的研究方向,进一步拓宽了掺杂改性的手段,使得在磁控溅射进行掺杂过程中必须采用原子或离子级别的反应来合成纳米颗粒的方法不再是唯一思路,首次在磁控溅射制备纳米颗粒复合薄膜当中引入了纳米颗粒直接溅射的方法,这也为制备其他纳米颗粒掺杂结构的方法和解释提供了参考。