Ti-Si-C三元碳基纳米复合薄膜的制备与性能研究

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利用中频磁控溅射技术制备了Ti-Si-C三元碳基纳米复合薄膜,考察了沉积条件对薄膜微结构、组成和性能的影响,研究了薄膜微观结构与薄膜表面形貌、力学性能及摩擦学性能之间的关系,特别是薄膜在不同测试条件下的摩擦学行为。本论文的主要研究结果如下:  1.研究了溅射靶材中TiSi与C比例对Ti-Si-C碳基纳米复合薄膜微观结构及性能的影响。结果表明,通过控制靶材的四种比例:7:7;5:9;3:11;1:13,薄膜结构从TiC柱状晶结构依次向nc-TiC/a-C(Si)纳米复合结构和非晶碳结构转变。Raman和XPS分析结果显示:随着靶材比例的减小薄膜中sp3/sp2比例减小。薄膜的硬度随着靶材比例的减小呈现减小的趋势;靶材比例为7:7时薄膜的硬度最大,为18.6 Gpa;靶材比例为5:9时薄膜硬度为18.1 Gpa,弹性恢复系数高达81.9%。不同测试条件下薄膜的摩擦系数介于0.16~0.26之间。薄膜在空气中和水中摩擦机理不同,在空气中薄膜的摩擦学性能主要由摩擦过程中形成的转移层影响,在水中薄膜的摩擦性能由水的润滑作用和摩擦化学反应共同影响。  2.研究了氩气流量对Ti-Si-C碳基纳米复合薄膜微观结构及性能的影响。结果表明,靶材比例为7:7时,薄膜中非晶碳相的sp3/sp2比例随氩气流量增加而增大。随着氩气流量的增加,薄膜的表面粗糙度呈现先减小后增大的趋势,氩气流量为120 sccm时薄膜表面最光滑,表面粗糙度1.4 nm,此时薄膜的硬度最大,为15.8 Gpa。薄膜的耐磨性随着氩气流量的增加而增加。  3.研究了沉积温度对Ti-Si-C碳基纳米复合薄膜微观结构及性能的影响。结果表明,靶材比例为7:7时,薄膜中非晶碳相的sp3/sp2比例随沉积温度的增加而减小。随着沉积温度的增加,薄膜的表面粗糙度呈现减小的趋势,沉积温度为150 oC时薄膜表面最光滑,表面粗糙度为1.9 nm。沉积温度为250 oC时薄膜的硬度最大,为7.9 Gpa。室温下沉积的薄膜耐磨性最好。
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