a-C:H膜在不同真空度下的摩擦學(xué)行為研究

　　采用非平衡磁控濺射技術(shù)在不銹鋼及Sip(111)基體上制備了含氫無定形碳(a-C:H)薄膜，沉積的薄膜表面光滑，硬度高，內(nèi)應(yīng)力小，膜/基結(jié)合力好。利用球-盤摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)薄膜在不同真空度(1.0×10⁵、5.0×10^-2、1.0×10^-2、5.0×10^-3 Pa)下的摩擦學(xué)行為進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，隨著真空度的升高，薄膜的摩擦系數(shù)逐漸減小，磨損率逐漸增大。在5.0×10^-3 Pa時(shí)，a-C:H膜的摩擦學(xué)行為發(fā)生突變，此時(shí)薄膜的摩擦系數(shù)為0.005，而耐磨壽命很短。高真空中，薄膜壽命的突變可能與薄膜脫氫而結(jié)構(gòu)發(fā)生變化有關(guān)。

1、引言

　　載人航天工程、空間實(shí)驗(yàn)室、星際探測(cè)器等空間高技術(shù)工業(yè)的發(fā)展，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)家安全和科技發(fā)展做出了積極貢獻(xiàn)�？臻g環(huán)境的重要特點(diǎn)之一就是高真空，在此環(huán)境下，金屬表面的氧化膜在摩擦過程中很快被除去，潔凈金屬表面之間極易發(fā)生粘著，甚至冷焊，致使摩擦副不能相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這對(duì)于空間運(yùn)動(dòng)部件來說是致命的。此外，常規(guī)的油脂潤(rùn)滑劑在苛刻的真空環(huán)境下，易發(fā)生蒸發(fā)、分解或交聯(lián)而失效。所以，空間技術(shù)關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部件在真空環(huán)境中的潤(rùn)滑失效已經(jīng)成為制約空間技術(shù)裝備壽命和可靠性的瓶頸，因此，發(fā)展適合于高真空的高可靠性、超長(zhǎng)壽命的潤(rùn)滑材料與技術(shù)具有重要意義。固體潤(rùn)滑材料由于具有低的蒸發(fā)率、較寬的溫度區(qū)間、抗輻射、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，是理想的真空潤(rùn)滑材料。含氫非晶碳膜(a-C:H)作為一種新型的固體潤(rùn)滑薄膜，具有高硬度、低摩擦系數(shù)、高耐磨性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性等，在空間高技術(shù)領(lǐng)域顯示了重要的應(yīng)用前景和價(jià)值。

　　a-C:H膜是介于金剛石碳和石墨碳之間的一種非晶亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，由一定比例的sp3、sp2雜化碳原子組成，同時(shí)含有一定量的氫原子。因制備方法以及測(cè)試條件、環(huán)境氣氛等因素的不同，它的摩擦系數(shù)可在0.001～0.65范圍內(nèi)變化。Donnet研究了a-C:H膜在大氣壓及不同真空條件下的摩擦學(xué)行為，結(jié)果表明，在不同的真空度下，a-C:H膜的摩擦磨損行為相差比較大，隨著真空度的升高，a-C:H膜的摩擦系數(shù)減小。

　　相關(guān)的研究者提出了表面鈍化懸鍵理論和摩擦化學(xué)理論來揭示真空度與a-C:H膜的摩擦系數(shù)之間的關(guān)系。高H含量的a-C:H膜表面的懸鍵大部分被H鈍化，在與對(duì)偶作用時(shí)產(chǎn)生較弱的范德華力，故在真空環(huán)境中表現(xiàn)出超低摩擦系數(shù);而大氣環(huán)境中，由于摩擦化學(xué)作用，導(dǎo)致材料表面氧化，增加了與對(duì)偶之間的相互作用，引起摩擦系數(shù)升高。作為空間潤(rùn)滑材料，高真空中的耐磨壽命是a-C:H膜性能評(píng)價(jià)重要指標(biāo)。在已有的研究中，研究者更著重摩擦系數(shù)方面的研究，而對(duì)其耐磨壽命的研究較少。已有結(jié)果表明，a-C:H膜在高真空條件下摩擦系數(shù)很低(0.001)，但其耐磨壽命很短。對(duì)于a-C:H膜在高真空條件下的摩擦與磨損行為的不一致性，國(guó)內(nèi)外還沒有開展系統(tǒng)的研究，相關(guān)的機(jī)理解釋也很少。

　　本文采用中頻非平衡磁控濺射技術(shù)制備了a-C:H膜，研究了從大氣環(huán)境到不同真空(1.0×10⁵、5.0×10^-2、1.0×10^-2、5.0×10^-3Pa)條件下的薄膜的摩擦磨損行為，并探討了相關(guān)的作用機(jī)理。

2、實(shí)驗(yàn)

　　2.1、薄膜制備

　　采用非平衡磁控濺射沉積設(shè)備，以高純石墨(純度為99.99%)作為靶材，以Ar和CH4作為濺射氣體，在AISI202不銹鋼片和p(111)單晶硅兩種基體材料上沉積a-C:H薄膜。基體經(jīng)丙酮超聲清洗20min，然后置于真空室中用高能Ar+離子轟擊樣品表面30min后，依次沉積Si界面層和Si-C梯度層來提高薄膜與基體的結(jié)合強(qiáng)度。a-C:H膜的沉積條件為Ar和CH4的流量比為1:1，沉積氣壓為5.3×10^-1Pa，濺射電流12A，脈沖偏壓為-200V，占空比20%，沉積時(shí)間為3h，沉積的薄膜厚度為1.4μm。

　　摩擦過程中跑合階段，薄膜表面吸附的物質(zhì)和結(jié)合較差的物質(zhì)被除去，在滑動(dòng)接觸界面上形成了轉(zhuǎn)移膜;在穩(wěn)定期，由于轉(zhuǎn)移膜的形成，膜保持著相對(duì)較低的摩擦系數(shù)。a-C:H膜中，H飽和了薄膜的表面懸鍵。常壓下，大氣中的水和O2吸附在薄膜表面，在摩擦過程中發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，破壞了薄膜表面的C—H鍵，增加了薄膜與對(duì)偶之間的相互作用，引起高的摩擦系數(shù)。隨著真空度的升高，環(huán)境氣氛中的分子逐漸減少，與薄膜表面的化學(xué)作用減弱，H起到了很好的鈍化表面懸鍵作用，使得薄膜的摩擦系數(shù)較低。當(dāng)真空度升高到5.0×10^-3Pa時(shí)，環(huán)境氣體分子少到幾乎不與薄膜表面作用，碳碳間的相互作用最弱，使得薄膜的摩擦系數(shù)最低。在摩擦過程中，表面微凸體相互作用，在很短的時(shí)間內(nèi)(只有幾毫秒甚至更短)，表面的溫度能達(dá)到1000℃以上。高真空中，氣體分子數(shù)少，摩擦對(duì)偶的導(dǎo)熱性變差，熱傳導(dǎo)低，使得摩擦接觸點(diǎn)的溫度升高，導(dǎo)致薄膜脫氫，結(jié)構(gòu)發(fā)生改變而被磨穿，之后摩擦對(duì)偶材料間發(fā)生粘著，使得摩擦系數(shù)忽然升高。

4、結(jié)論

　　(1)利用中頻非平衡磁控濺射技術(shù)制備了均勻、致密且表面粗糙度小的a-C:H膜，該薄膜由sp3、sp2雜化碳原子組成并含有一定量的C—H鍵，內(nèi)應(yīng)力為0.811GPa，硬度為9.31GPa。

　　(2)在1.0×10^-2 Pa真空以下，a-C:H膜的摩擦系數(shù)變化不大，磨損率在10^-7量級(jí);在5.0×10^-3 Pa真空下，a-C:H膜摩擦學(xué)行為就已經(jīng)發(fā)生突變，摩擦系數(shù)為0.005，但薄膜很快被磨穿。