化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition ,CVD) 金剛石薄膜具有極其優(yōu)異的力學(xué)(機(jī)械) 、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等性能的組合,因此在許多領(lǐng)域如機(jī)械耐磨涂層、光學(xué)窗口、聲表面波裝置(SAW) 、微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS) 以及半導(dǎo)體材料等都有著巨大的應(yīng)用前景。自80 年代以來(lái),其作為新型功能材料一直是各國(guó)薄膜技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。近幾年來(lái),我國(guó)在CVD 金剛石薄膜的制備技術(shù)、制備裝置、基礎(chǔ)研究和應(yīng)用領(lǐng)域方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。本文簡(jiǎn)要介紹了CVD 金剛石薄膜的幾種主要方法,并從金剛石薄膜作為耐磨涂層的角度出發(fā),綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外關(guān)于其摩擦學(xué)性能的研究,著重討論了金剛石薄膜的摩擦學(xué)機(jī)理及影響因素。

1、CVD 金剛石薄膜的制備方法

　　CVD 金剛石薄膜的基本原理是利用含碳?xì)庠春蜌?氧、氬) 氣,在高溫?zé)峤饣虻入x子體激活作用下活化,產(chǎn)生大量的含碳基團(tuán)(如CH3 或C2H2 或C2 ) 和能夠刻蝕SP2 雜化碳(即石墨) 的原子氫(氧、氬) ,并在這些基團(tuán)、原子的共同作用下在基體表面沉積,從而得到以SP3 雜化碳結(jié)構(gòu)的金剛石薄膜。經(jīng)過(guò)近20 年的研究,人們發(fā)展了多種CVD 金剛石薄膜技術(shù)如熱絲CVD(Hot Filament CVD ,HFCVD)  、微波等離子體CVD(Microwave Plasma CVD ,MPCVD) 、電子回旋共振(ECR) 微波CVD(ECR - CVD) 、直流電弧等離子體噴射CVD(DC Arc Plasma CVD) 、燃燒火焰CVD (CombustionFlame CVD) 等。這幾種方法的工藝參數(shù)和優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 　不同CVD 金剛石薄膜工藝的比較

2、金剛石薄膜的摩擦學(xué)特性

　　金剛石薄膜具有極高的硬度,較低的摩擦系數(shù),較高的耐磨性,良好的化學(xué)穩(wěn)定性,是一種優(yōu)異的表面抗磨損改性膜。下面對(duì)金剛石薄膜的摩擦學(xué)性能研究作一討論。

2.1、金剛石薄膜的摩擦機(jī)理

　　金剛石薄膜的摩擦學(xué)行為是眾多因素共同作用和影響的結(jié)果。由于在制備過(guò)程和測(cè)試過(guò)程中,眾多不確定因素(如沉積溫度,反應(yīng)氣源,環(huán)境濕度,實(shí)驗(yàn)載荷與溫度等) 的影響,使得各人的研究結(jié)果有很大的差異,始終不能得到一致的摩擦學(xué)機(jī)理。Field 等人對(duì)CVD 沉積金剛石薄膜和天然金剛石的摩擦學(xué)性能進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn),其摩擦學(xué)行為和機(jī)理基本相同。但是,天然的金剛石顯示各向異性效果。他們認(rèn)為,金剛石薄膜的磨損機(jī)理有兩個(gè):一是接觸點(diǎn)的剪切引起的粘著效應(yīng),二是由于表面層的塑性變形導(dǎo)致的犁應(yīng)力。Gardos等研究認(rèn)為,金剛石薄膜的摩擦學(xué)行為主要由接觸表面之間的化學(xué)性質(zhì)控制�；瑒�(dòng)兩表面之間化學(xué)鍵的形成和斷裂控制著摩擦行為,而鍵的斷裂則控制著磨損行為。Ali Erdemir 等人根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出金剛石薄膜的摩擦學(xué)機(jī)理主要有:

　　①表面光滑度。當(dāng)金剛石薄膜晶粒尺寸大、表面粗糙時(shí),在滑動(dòng)中就容易產(chǎn)生剪切和犁溝磨損,導(dǎo)致摩擦系數(shù)很大。因此,提高薄膜的表面光滑度,就能有效地消除剪切和犁溝效應(yīng),改善摩擦性能。

　　②表面化學(xué)結(jié)構(gòu)。金剛石薄膜的低摩擦性能的本質(zhì)是由于表面的高度鈍化。一旦表面鈍化,表面之間的粘著效應(yīng)就基本消除,摩擦磨損就會(huì)降低。

　�、巯噢D(zhuǎn)移。在苛刻的條件(如高接觸壓力、高摩擦熱) 下,摩擦引發(fā)金剛石薄膜表面相的轉(zhuǎn)移,金剛石石墨化,石墨是一種很好的固體自潤(rùn)滑材料,從而減少了摩擦磨損。

2.2、金剛石薄膜摩擦學(xué)性能的影響因素

　　CVD 金剛石薄膜的質(zhì)地結(jié)構(gòu)如表面形貌、晶粒大小、晶粒取向、薄膜質(zhì)量等直接影響其摩擦學(xué)性能。相對(duì)于微晶金剛石薄膜,納米晶金剛石薄膜和拋光后的金剛石薄膜無(wú)論是在空氣中還是在干燥的氮?dú)庵?都具有非常低的摩擦系數(shù)(0.06 ～ 0.15) 和低的磨損率( 2 ～ 6 ×10 ^{- 7} mm³PN·m) 。Yongqing Fu和M1Schmitt 等人研究發(fā)現(xiàn),(100) 取向的金剛石薄膜相對(duì)于(111) 取向的金剛石薄膜表現(xiàn)出較好的摩擦磨損性能。此外,隨著金剛石薄膜中SP2結(jié)構(gòu)無(wú)定形碳的增加,其磨損率增大,但對(duì)摩擦系數(shù)影響不大。/p>

　　金剛石薄膜的摩擦學(xué)性能主要由摩擦接觸點(diǎn)之間的化學(xué)和物理性質(zhì)控制,但是受環(huán)境的影響很大。不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,金剛石薄膜表現(xiàn)出迥異的摩擦磨損特性。在真空中 ,金剛石薄膜的摩擦學(xué)性能極差,其摩擦系數(shù)和磨損率分別高達(dá)110 和10 ^{- 4} mm³PN·m 以上。但是,在潮濕的空氣中以及O2 、H2 、N2 存在的條件下 ,金剛石薄膜的摩擦學(xué)性能得到顯著改善,具有較低的摩擦系數(shù)( < 0.1) 和磨損率(10 ^{- 7}～10 ^{- 8} mm³PN·m) 。目前,人們普遍認(rèn)為,金剛石薄膜表面懸鍵和表面鈍化決定著其在不同環(huán)境下的摩擦磨損性能。在潮濕空氣中或者干燥的N2 中 ,具有低剪切強(qiáng)度的污染層的存在, 以及原子H、原子O、水蒸氣、水分子、含氧有機(jī)液體如醛、酮等吸附物對(duì)金剛石薄膜表面懸鍵的浸透導(dǎo)致表面鈍化,使得金剛石的摩擦系數(shù)大幅度降低。在真空中,溫度的升高引起表面吸附物的解吸,金剛石薄膜表面存在大量的能夠和摩擦副接觸表面強(qiáng)烈相互作用的懸鍵,從而使金剛石薄膜摩擦系數(shù)高達(dá)1.0 以上。

　　在高的實(shí)驗(yàn)載荷與滑動(dòng)速度條件下,金剛石薄膜的摩擦學(xué)行為明顯地分為兩個(gè)階段。初始階段,摩擦系數(shù)高達(dá)0.9～1.2 ,這主要由薄膜的表面粗糙度決定;穩(wěn)定階段,摩擦系數(shù)迅速下降到0.09～0.15。真空技術(shù)網(wǎng)認(rèn)為,在此條件下,摩擦引起摩擦副金屬表面電子發(fā)射,從而導(dǎo)致接觸表面之間的氣體離子化。氣體的離子化促進(jìn)了原子H 和原子O 的化學(xué)吸附作用,引起薄膜表面結(jié)構(gòu)的重組,改善了薄膜的摩擦性能。

　　與金剛石薄膜組成摩擦副的材料可分為高硬度材料和普通硬度材料,前者包括剛玉、金剛石、陶瓷等,后者包括不銹鋼、440C 鋼等。不同的摩擦副材料對(duì)金剛石薄膜的摩擦磨損性能也有一定的影響。Sheng YLuo 等人考察了納米金剛石薄膜與不同的摩擦副如Al2Si 合金、碳鋼、Al2O3 陶瓷之間的摩擦學(xué)性能,結(jié)果發(fā)現(xiàn),納米金剛石薄膜與碳鋼之間的摩擦系數(shù)(～0.2) 要比與Al 合金(～0.09) 和Al2O3 陶瓷(～0.08) 之間的摩擦系數(shù)高出2 倍多;而對(duì)于磨損,其與Al 合金的磨損最高,與碳鋼的磨損最低。作者認(rèn)為,與碳鋼之間的高摩擦系數(shù)可能是由于接觸表面之間Fe 和C 原子之間的化學(xué)作用引起的;而在摩擦過(guò)程中Al 和O2 生成堅(jiān)硬的氧化膜則導(dǎo)致金剛石薄膜與Al 合金之間高的磨損率。P.Niedzielski 等發(fā)現(xiàn)納米晶金剛石薄膜與木質(zhì)材料之間的摩擦系數(shù)要比與金屬材料之間的摩擦系數(shù)高出幾倍,這可能是由于木質(zhì)材料本身的結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致其表面比較粗糙,從而引起高的摩擦系數(shù)。