类金刚石碳膜的制备及其机械性能和应用
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类金刚石碳膜的制备及其机械性能和应用
文／ 方芳 朱
类 金 刚 石 碳 （ｄａ ｏ ｄ ｉｅ ｃ ｒ ｏ ）膜 简 称 ＤＬ ｉｍ ｎ －ｌ ａｂ ｎ ｋ Ｃ膜 ， 是 一 类物 理 和 化 学 性 质 类 似 于 金 刚 石 且 具 有 独 特 摩 擦 学 特 性 的 非 晶 碳 膜 。 类 金 刚 石 碳 膜 易于 大 面 积 沉 积 ， 沉 积 速 度 快 ， 沉 积 温 度 低 ， 可 采 用 金 属 和 非 金 属 材 料 作 为 衬 底 ，加 之 其 所 具 有 的 优 良 物 理 化 学 以 及 机 械 性 能 ， 所 以 具 有 重 大
膜 时 ，加 热 Ｍ ｏ 到 １ Ｏ０ ， 产 生 大 量 热 电 子 ， 这 些 电子 将 丝 １ ℃
中 和 膜 面 沉 积 的 正 电 荷 ，减 小 电 荷 积 累 所 产 生 的 电压 降 。
（３ ）射 频 辉 光 放 电 （ Ｇ） 。 射 频 辉 光 放 电 法 有 两 种 ＲＦ 法
１等 鼻子 体 辅 助 化 学 气相 沉 积 （ Ｅ ＶＤ 法 ． ＰＣ ）
（１ ）直 流 辉 光 放 电 （ ＤＧ） 。 直 流 辉 光 放 电 法 就 是 利 法
用 高 压 直 流 负 偏 压 （ ２至 一５ Ｖ） 使 低 压 碳 氢 气 体 发 生 辉 光 一 ｋ ， 放 电 ，从 而 产 生 等 离 子 体 ， 等 离 子 体 在 电场 作 用 下 轰 击基
致 密 、 无 针 眼 、压 应 力低 。
数 ， 但 过 多 的 氢 将 降 低 膜 与 机 体 的 结 合 力 和 表 面 硬 度 ， 使
内 应力 增 大 。
（５ ）射 频 一直 流 （ —ＤＣ） 。 射 频 一直 流 法 就 是 在 射 频 ＲＦ 法 辉 光 放 电 法 的 基 础 上 加 一 直 流 电 源 ， 这 样 等 离 子 体 在 直 流 负 偏 压 和 射 频 自负 偏 压 的 共 同 作 用 下 轰 击 基 体 表 面 。
用 寿 命 的 重 要 因 素 ， 而 且 内 应 力 也 会 限 制 膜 的厚 度 。 通
过 在 膜 中 掺 杂 Ｎ、 Ｓｉ Ｏ或 金 属 内 应 力 可 以 减 小 ， 然 而 内 、 应 力 减 小 会 影 响 硬 度 和 弹 性 模 量 。 ＤＬ Ｃ膜 具 有 优 异 的 耐 磨 性 、 低 摩 擦 系 数 ， 是 优 异 的 表 面 抗 磨 损 改 性 膜 。 类 金 刚 石 膜 的 相 关 文 献 显 示 ， ＤＬ Ｃ膜 的 低 摩 擦 系 数 及 超 低 磨 损 是 由 交 界 层 的 低 剪 切 应 力 决 定 的 ， 也 受 测 试 环 境 影 响 。 ＤＬ Ｃ膜 的 摩 擦 系 数 值 的 跨 度 很 大 ，这 是 由膜 的 结 构 和 组 成 变化 造 成 的 。 同 时 ， 膜 的 交 界 面 有 润 滑 作 用 ，通 过 加 入 氢 能 提 高
２ 其他 方 面 的性 能 ．
ＤＬ Ｃ膜 在 其 他 方 面 也 具 备 优 异 的 性 能 ， 比 如 ＤＬ Ｃ膜 的 硬 度 较 高 ， 而 １ 米 以 下 的 ＤＬ 微 Ｃ膜 有 良 好 的 附 着 力 。 离 子 束 沉 积 的 ＤＬ Ｃ膜 的 折 射 率 依 赖 于 沉 积 条 件 ， 但 折 射 率 变 化 不
润 滑 作 用 ，加 入 水 或 氧 会 限 制 润 滑 。 在 超 高 真 空 中 发现 ， ＤＬ Ｃ膜 中 氢 的 含 量 超 过 ４ ０％ 门 限 时 ， 能 获 得 很 低 的 摩 擦 系
体 ，并 沉积 成 膜 。
（ ）热 丝 放 电 （ Ｇ） 。 热 丝 放 电 法 是 在 直 流 放 电 法 的 ２ ＨＦ 法 基 础 上 发 展 而 来 的 。 在 阴 极 板 的 上 面 放 一 Ｍ ０丝 ， 沉 积 ＤＬ Ｃ
的 实 用价 值 。 本 文着 重 阐 述 类ＤＬ Ｃ膜 的 制 备 方 法 、 机 械 性
能及 其在 机械 方面 和 其他 一 些领 域 的应 用。
一ห้องสมุดไป่ตู้
、
制 备 方 法
二 、性 能 特 点
１机械 性 能 ．
ＤＬ Ｃ膜 的 制 备 技 术 日 益 成 熟 ， 以 下 简 单 介 绍 常 见 的 几 种方法：
形 式 ： 感 应 圈 式 和 平 行 板 电 容 偶 合 式 。 对 于 感 应 圈 式 ， 当 感 应 圈 接 上 射 频 电源 时 ，低 压 碳 氢 气 体 发 生 辉 光 放 电 而 分 解 ，形 成 等离 子 体 ，在 基体 上 沉 积 成 膜 。 （ ）双 射 频 辉 光 放 电（ －Ｒ ） 。 用 此 法 制 备 的 ＤＬ ４ ＲＦ Ｆ 法 Ｃ膜
大 ， 一 般 为 １９～ ２； ＤＬ ． ２． Ｃ膜 在 红 外 波 段 内 对 Ｓ 具 有 增 透 效 ｉ
于 实 现 工 业 化 。 此 方 法 沉 积 的 ＤＬ Ｃ膜 不 含 氢 ， Ｓ ３ 结 合 的 Ｐ 键
碳 含 量 高达 ９ ０％ ， 具 有 高 硬 度 和 密 度 ， 性 能 更 接 近 于 金 刚 石膜。 （ ）激 光 电 弧 （ＡＲＣ） 。 激 光 电 弧 法 就 是 用 高 能 激 光 ５ Ｌ 法 束 射 向 石 墨 靶 面 ，蒸 发 出 碳 原 子 。 碳 原 子 在 脉 冲 电流 的作 用 下 产 生 电 弧 ， 形 成 能 量 为 Ｉｅ ｋ Ｙ的 碳 离 于 轰 击 基 体 ， 并 沉 积 成膜 。
ＤＬ Ｃ膜 具 有 高 硬 度 和 高 弹 性 模 量 ，不 同 的 沉 积 方 法
制 备 的 ＤＬ Ｃ膜 硬 度 差 异 很 大 。 沉 积 工 艺 参 数 对 ＤＬ Ｃ膜 的 硬 度 有 影 响 ，膜 层 内 的 成 分 对 膜 层 硬 度 也 有 一 定 影 响 。 但 是 ＤＬ Ｃ膜 有 很 高 的 内 应 力 ， 内 应 力 是 决 定 薄 膜 的 稳 定 性 和 使
类金刚石碳膜的制备及其机械性能和应用
文／ 方芳 朱
类 金 刚 石 碳 （ｄａ ｏ ｄ ｉｅ ｃ ｒ ｏ ）膜 简 称 ＤＬ ｉｍ ｎ －ｌ ａｂ ｎ ｋ Ｃ膜 ， 是 一 类物 理 和 化 学 性 质 类 似 于 金 刚 石 且 具 有 独 特 摩 擦 学 特 性 的 非 晶 碳 膜 。 类 金 刚 石 碳 膜 易于 大 面 积 沉 积 ， 沉 积 速 度 快 ， 沉 积 温 度 低 ， 可 采 用 金 属 和 非 金 属 材 料 作 为 衬 底 ，加 之 其 所 具 有 的 优 良 物 理 化 学 以 及 机 械 性 能 ， 所 以 具 有 重 大
膜 时 ，加 热 Ｍ ｏ 到 １ Ｏ０ ， 产 生 大 量 热 电 子 ， 这 些 电子 将 丝 １ ℃
中 和 膜 面 沉 积 的 正 电 荷 ，减 小 电 荷 积 累 所 产 生 的 电压 降 。
（３ ）射 频 辉 光 放 电 （ Ｇ） 。 射 频 辉 光 放 电 法 有 两 种 ＲＦ 法
１等 鼻子 体 辅 助 化 学 气相 沉 积 （ Ｅ ＶＤ 法 ． ＰＣ ）
（１ ）直 流 辉 光 放 电 （ ＤＧ） 。 直 流 辉 光 放 电 法 就 是 利 法
用 高 压 直 流 负 偏 压 （ ２至 一５ Ｖ） 使 低 压 碳 氢 气 体 发 生 辉 光 一 ｋ ， 放 电 ，从 而 产 生 等 离 子 体 ， 等 离 子 体 在 电场 作 用 下 轰 击基
致 密 、 无 针 眼 、压 应 力低 。
数 ， 但 过 多 的 氢 将 降 低 膜 与 机 体 的 结 合 力 和 表 面 硬 度 ， 使
内 应力 增 大 。
（５ ）射 频 一直 流 （ —ＤＣ） 。 射 频 一直 流 法 就 是 在 射 频 ＲＦ 法 辉 光 放 电 法 的 基 础 上 加 一 直 流 电 源 ， 这 样 等 离 子 体 在 直 流 负 偏 压 和 射 频 自负 偏 压 的 共 同 作 用 下 轰 击 基 体 表 面 。
用 寿 命 的 重 要 因 素 ， 而 且 内 应 力 也 会 限 制 膜 的厚 度 。 通
过 在 膜 中 掺 杂 Ｎ、 Ｓｉ Ｏ或 金 属 内 应 力 可 以 减 小 ， 然 而 内 、 应 力 减 小 会 影 响 硬 度 和 弹 性 模 量 。 ＤＬ Ｃ膜 具 有 优 异 的 耐 磨 性 、 低 摩 擦 系 数 ， 是 优 异 的 表 面 抗 磨 损 改 性 膜 。 类 金 刚 石 膜 的 相 关 文 献 显 示 ， ＤＬ Ｃ膜 的 低 摩 擦 系 数 及 超 低 磨 损 是 由 交 界 层 的 低 剪 切 应 力 决 定 的 ， 也 受 测 试 环 境 影 响 。 ＤＬ Ｃ膜 的 摩 擦 系 数 值 的 跨 度 很 大 ，这 是 由膜 的 结 构 和 组 成 变化 造 成 的 。 同 时 ， 膜 的 交 界 面 有 润 滑 作 用 ，通 过 加 入 氢 能 提 高
２ 其他 方 面 的性 能 ．
ＤＬ Ｃ膜 在 其 他 方 面 也 具 备 优 异 的 性 能 ， 比 如 ＤＬ Ｃ膜 的 硬 度 较 高 ， 而 １ 米 以 下 的 ＤＬ 微 Ｃ膜 有 良 好 的 附 着 力 。 离 子 束 沉 积 的 ＤＬ Ｃ膜 的 折 射 率 依 赖 于 沉 积 条 件 ， 但 折 射 率 变 化 不
润 滑 作 用 ，加 入 水 或 氧 会 限 制 润 滑 。 在 超 高 真 空 中 发现 ， ＤＬ Ｃ膜 中 氢 的 含 量 超 过 ４ ０％ 门 限 时 ， 能 获 得 很 低 的 摩 擦 系
体 ，并 沉积 成 膜 。
（ ）热 丝 放 电 （ Ｇ） 。 热 丝 放 电 法 是 在 直 流 放 电 法 的 ２ ＨＦ 法 基 础 上 发 展 而 来 的 。 在 阴 极 板 的 上 面 放 一 Ｍ ０丝 ， 沉 积 ＤＬ Ｃ
的 实 用价 值 。 本 文着 重 阐 述 类ＤＬ Ｃ膜 的 制 备 方 法 、 机 械 性
能及 其在 机械 方面 和 其他 一 些领 域 的应 用。
一ห้องสมุดไป่ตู้
、
制 备 方 法
二 、性 能 特 点
１机械 性 能 ．
ＤＬ Ｃ膜 的 制 备 技 术 日 益 成 熟 ， 以 下 简 单 介 绍 常 见 的 几 种方法：
形 式 ： 感 应 圈 式 和 平 行 板 电 容 偶 合 式 。 对 于 感 应 圈 式 ， 当 感 应 圈 接 上 射 频 电源 时 ，低 压 碳 氢 气 体 发 生 辉 光 放 电 而 分 解 ，形 成 等离 子 体 ，在 基体 上 沉 积 成 膜 。 （ ）双 射 频 辉 光 放 电（ －Ｒ ） 。 用 此 法 制 备 的 ＤＬ ４ ＲＦ Ｆ 法 Ｃ膜
大 ， 一 般 为 １９～ ２； ＤＬ ． ２． Ｃ膜 在 红 外 波 段 内 对 Ｓ 具 有 增 透 效 ｉ
于 实 现 工 业 化 。 此 方 法 沉 积 的 ＤＬ Ｃ膜 不 含 氢 ， Ｓ ３ 结 合 的 Ｐ 键
碳 含 量 高达 ９ ０％ ， 具 有 高 硬 度 和 密 度 ， 性 能 更 接 近 于 金 刚 石膜。 （ ）激 光 电 弧 （ＡＲＣ） 。 激 光 电 弧 法 就 是 用 高 能 激 光 ５ Ｌ 法 束 射 向 石 墨 靶 面 ，蒸 发 出 碳 原 子 。 碳 原 子 在 脉 冲 电流 的作 用 下 产 生 电 弧 ， 形 成 能 量 为 Ｉｅ ｋ Ｙ的 碳 离 于 轰 击 基 体 ， 并 沉 积 成膜 。
ＤＬ Ｃ膜 具 有 高 硬 度 和 高 弹 性 模 量 ，不 同 的 沉 积 方 法
制 备 的 ＤＬ Ｃ膜 硬 度 差 异 很 大 。 沉 积 工 艺 参 数 对 ＤＬ Ｃ膜 的 硬 度 有 影 响 ，膜 层 内 的 成 分 对 膜 层 硬 度 也 有 一 定 影 响 。 但 是 ＤＬ Ｃ膜 有 很 高 的 内 应 力 ， 内 应 力 是 决 定 薄 膜 的 稳 定 性 和 使