N与Si掺杂含氢类金刚石涂层热稳定性的研究
【摘要】： 类金刚石(diamond-like carbon,DLC)涂层具有优异的性能,应用潜力广泛。但DLC涂层的显著缺点,即内应力高和热稳定性差,限制了DLC涂层的推广应用。本实验采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)的方法,调控涂层含氮量,调节偏压大小,以及进行硅氮共掺。利用拉曼光谱、红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)和薄膜应力测试仪、微纳米力学综合测量系统等分析测试手段对涂层组织和性能进行表征,探讨了DLC涂层沉积态及退火态的组织结构和性能的变化规律。实验获得如下结论:(1)对掺氮含氢类金刚石(a-CN:H)涂层而言。随着N_2流通量增加,涂层含氮量增加,sp~3含量先增加后减小,拐点氮含量为0.12 at%。涂层中的N元素以C=N键为主,且C=N键在490°C以上温度退火时才发生部分断裂。存在临界退火温度430°C。低于该温度退火时,与纯含氢类金刚石(a-C:H)涂层相比,掺氮涂层具有较低的sp~3→sp~2的结构转变温度。但当退火温度大于430°C时,掺氮涂层的结构转变速率比a-C:H涂层低。即随着涂层含氮量增加,低氮掺杂涂层的高温热稳定性增加。当掺氮涂层经430°C退火后,可以获得具有高硬度、高导率、低残余应力和低摩擦系数等综合性能优异的DLC涂层。(2)随着负偏压升高,a-CN:H涂层sp~3含量下降,CH_n键含量先迅速下降后缓慢下降,甚至基本消失。当偏压为-420 V时,涂层在330°C?430°C之间退火时发生CH_n键的断裂,诱导涂层发生sp~3→sp~2的结构转变。当偏压为-500 V时,涂层CH_n键含量大幅下降,退火温度大于430°C时才发生明显的结构转变。当偏压大于-500 V时,涂层sp~3含量下降,缺陷增加,涂层结构随温度的转变速率略微增加。即涂层热稳定性随着负偏压的升高先增加后降低。当偏压为-500 V时,涂层具有优异的综合性能:纳米硬度22.5GPa,残余应力0.57 GPa,摩擦系数0.13,磨损率8.1×10~(-17) m~3/(N·m)。涂层经590°C退火后依然具有较优异的性能:硬度14.8 GPa,摩擦系数0.08。(3)对于硅氮共掺含氢类金刚石(Si-N-DLC)涂层。本实验工艺参数所制备的涂层具有较高的sp~2含量。Si元素以Si-C键为主,N元素以C=N键为主。存在临界退火温度430°C。当退火温度低于此值时,涂层各元素键合形式较稳定,仅有少量的不稳定碳原子发生重排,涂层结构较稳定。当退火温度大于430°C时,涂层在热弛豫下发生结构转变,sp~3含量下降,涂层发生较明显的结构转变。尤其当退火温度大于490°C时,Si-H键和Si=N键开始发生部分断裂,促进涂层结构的转变。与a-C:H涂层相比,本文制备的Si-N-DLC涂层在高温条件下具有更低的结构转变速率,热稳定性提高。而且随着涂层硅含量增加,涂层热稳定性提高。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
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