负偏压对含氢类金刚石薄膜性能的影响

郑锦华; 刘青云; 李志雄

doi:10.37188/OPE.20223004.0411

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

负偏压对含氢类金刚石薄膜性能的影响

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2022-02-26

- 负偏压对含氢类金刚石薄膜性能的影响
- Effect of negative bias voltage on properties of hydrogenated diamond-like carbon films
- 光学精密工程 2022年30卷第4期页码：411-420
- 作者机构：
  
  1.郑州大学机械与动力工程学院热能系统节能技术与装备教育部工程研究中心，河南郑州 450001
  2.河南晶华膜技真空科技有限公司，河南焦作 454150
- 作者简介：
  
  [ "郑锦华（1965-），男，湖南常德人，博士，特聘教授，高级研究员，1987年、1990年于郑州大学获学士、硕士学位，2005年于日本国立广岛大学获博士学位，主要从事功能性薄膜的研究开发，在SiC薄膜和DLC薄膜方面的研究有独特造诣，并在日本实现了产业化生产。E-mail： zhengjh2005@aliyun.com" ]
  [ "刘青云（1997-），女，河南开封人，硕士研究生，2019年于辽宁科技大学获得学士学位，从事功能性薄膜材料的研究开发，主要从事DLC薄膜材料的研究工作。E-mail： liuqingyun332@foxmail.com" ]
- 基金信息：
  
  焦作市创新创业领军团队资助项目(2019TD007);河南省“百人计划”资助项目(豫人才办［2015］4号)
- DOI：10.37188/OPE.20223004.0411
  中图分类号： TB43
- 收稿日期：2021-06-15，
  
  修回日期：2021-08-13，
  
  纸质出版日期：2022-02-25
- 稿件说明：
移动端阅览
郑锦华,刘青云,李志雄.负偏压对含氢类金刚石薄膜性能的影响[J].光学精密工程,2022,30(04):411-420.

ZHENG Jinhua,LIU Qingyun,LI Zhixiong.Effect of negative bias voltage on properties of hydrogenated diamond-like carbon films[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(04):411-420.
郑锦华,刘青云,李志雄.负偏压对含氢类金刚石薄膜性能的影响[J].光学精密工程,2022,30(04):411-420. DOI： 10.37188/OPE.20223004.0411.

ZHENG Jinhua,LIU Qingyun,LI Zhixiong.Effect of negative bias voltage on properties of hydrogenated diamond-like carbon films[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(04):411-420. DOI： 10.37188/OPE.20223004.0411.

摘要

为了解决类金刚石（DLC）薄膜与金属基材间的界面结合强度问题，本研究采用直流等离子体增强化学气相沉积（DC-PECVD）技术，以等时长、不同偏压条件在45钢基材上沉积复合DLC薄膜。采用扫描电镜、原子力显微镜观察薄膜形貌；采用拉曼光谱仪分析薄膜成分；采用涂层附着力自动划痕仪测定膜基结合强度。结果表明：制备偏压从

600 V~

1 200 V变化时，复合DLC薄膜表面粗糙度增大，薄膜总厚度增加，总膜厚最大为16.3 μm；氢含量降低，石墨相对含量增加，过渡层DLC与顶层DLC膜间的结构成分差异减小。在等时长沉积条件下，随着制备负偏压的增加，复合DLC薄膜残余应力增大，结合力减小，结合力最大为54.5 N左右。顶层DLC膜制备偏压为

600 V~

800 V时综合性能较优。

Abstract

To solve the problem of interfacial bonding strength between diamond-like carbon （DLC） films and metal substrates， this study uses direct current plasma enhanced chemical vapor deposition （DC-PECVD） technology to deposit composite DLC films under the same duration but with different negative bias voltage conditions on 45 steel substrates. A scanning electron microscope （SEM） and an atomic force microscope （AFM） were used to observe the morphology of the films， a Raman spectrometer was used to analyze their compositions， and a coating adhesion automatic scratch tester was used to determine the bonding strength between the films and substrates. The results show that when the bias voltage changes from

600 V to

1 200 V， the surface roughness of the films increases， the total film thickness increases （up to 16.3 μm）， the hydrogen content decreases， the graphite relative content increases， and the structural composition difference between the transition layer DLC and the top DLC film decreases. Meanwhile， the residual stress increases， the binding force decreases， and the maximum value is approximately 54.5 N. When the bias voltage of the top DLC layer is between

600 V and

800 V， the comprehensive performance improves.

关键词

Keywords

references

陈青云，施凯敏，苏敏华，等 . 类金刚石膜研究进展［J］. 材料工程， 2017 ， 45 （ 3 ）： 119 - 128 . doi: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000229 http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000229

CHEN Q Y ， SHI K M ， SU M H ， et al . Progress of diamond-like carbon films ［J］. Journal of Materials Engineering ， 2017 ， 45 （ 3 ）： 119 - 128 . （in Chinese） . doi: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000229 http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000229

王康，陈新春，马天宝 . 类金刚石薄膜固体超滑的研究现状和挑战［J］. 表面技术， 2020 ， 49 （ 6 ）： 10 - 21 .

WANG K ， CHEN X C ， MA T B . Research status and challenges of solid superlubricity of diamond-like carbon film ［J］. Surface Technology ， 2020 ， 49 （ 6 ）： 10 - 21 . （in Chinese）

郑锦华 . 高界面强度类金刚石薄膜材料的常温沉积设备及其方法： CN102011102B ［P］. 2012-12-05 .

ZHENG J H . Normal-temperature deposition equipment for high interfacial strength diamond film materials and method thereof ： CN102011102B ［P］. 2012-12-05 . （in Chinese）

纪锡旺，许振华，贺莉丽，等 . 基体负偏压对类金刚石涂层结构和性能的影响［J］. 材料工程， 2015 ， 43 （ 8 ）： 43 - 49 . doi: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.08.008 http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2015.08.008

JI X W ， XU Z H ， HE L L ， et al . Influences of substrate negative bias voltage on microstructure and performance of DLC coatings ［J］. Journal of Materials Engineering ， 2015 ， 43 （ 8 ）： 43 - 49 . （in Chinese） . doi: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.08.008 http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2015.08.008

杨利，张桐，陈东旭，等 . 化学气相沉积温度对AZ31镁合金表面制备DLC薄膜微观结构及机械性能的影响［J］. 表面技术， 2020 ， 49 （ 5 ）： 317 - 324 .

YANG L ， ZHANG T ， CHEN D X ， et al . Effect of temperature on microstructures and mechanical properties of DLC films prepared on AZ31 magnesium alloy by chemical vapor deposition ［J］. Surface Technology ， 2020 ， 49 （ 5 ）： 317 - 324 . （in Chinese）

赵佳群，李刘合，景凯，等 . 梯度过渡层对硬质合金沉积类金刚石膜的耐磨性影响［J］. 表面技术， 2017 ， 46 （ 1 ）： 82 - 87 . doi: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2017.01.014 http://dx.doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2017.01.014

ZHAO J Q ， LI L H ， JING K ， et al . Effects of gradient interlayers on wear resistance of diamond-like coatings on cemented carbide ［J］. Surface Technology ， 2017 ， 46 （ 1 ）： 82 - 87 . （in Chinese） . doi: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2017.01.014 http://dx.doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2017.01.014

郑锦华，吴双，魏新煦，等 . 研磨抛光表面微孔织构的形成［J］. 光学精密工程， 2016 ， 24 （ 4 ）： 788 - 795 . doi: 10.3788/OPE.20162404.0788 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20162404.0788

ZHENG J H ， WU S ， WEI X X ， et al . Formation of surface micro-pore texture by grinding and polishing ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2016 ， 24 （ 4 ）： 788 - 795 . （in Chinese） . doi: 10.3788/OPE.20162404.0788 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20162404.0788

汪科良，周晖，张凯锋，等 . 掺杂类金刚石薄膜微观结构和摩擦学性能的研究进展［J］. 表面技术， 2021 ， 50 （ 2 ）： 148 - 159 . doi: 10.1016/j.apsusc.2020.148404 http://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.148404

WANG K L ， ZHOU H ， ZHANG K F ， et al . Research progress on microstructure and tribological properties of doped diamond-like carbon films ［J］. Surface Technology ， 2021 ， 50 （ 2 ）： 148 - 159 . （in Chinese） . doi: 10.1016/j.apsusc.2020.148404 http://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.148404

ZHANG Y K ， CHEN D X ， DENG H Y ， et al . DLC （H） coated 13Cr SMSS by high-pulsed power CVD technique ［J］. Surface Engineering ， 2021 ， 37 （ 8 ）： 1012 - 1019 . doi: 10.1080/02670844.2020.1840737 http://dx.doi.org/10.1080/02670844.2020.1840737

LIU L L ， WU Z Z ， AN X K ， et al . Improved interfacial adhesion between TiAlN/DLC multi-layered coatings by controlling the morphology via bias ［J］. Surface and Coatings Technology ， 2017 ， 331 ： 15 - 20 . doi: 10.1016/j.surfcoat.2017.10.029 http://dx.doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.10.029

MILEWSKI K ， MADEJ M . Structure and mechanical properties of diamond-like carbon （DLC） coatings doped with silicon ［J］. Metalurgija ， 2020 ， 59 （ 4 ）： 481 - 484 .

ZHANG D ， LI S Y ， ZUO X ， et al . Structural and mechanism study on enhanced thermal stability of hydrogenated diamond-like carbon films doped with Si/O ［J］. Diamond and Related Materials ， 2020 ， 108 ： 107923 . doi: 10.1016/j.diamond.2020.107923 http://dx.doi.org/10.1016/j.diamond.2020.107923

FERRARI A C ， ROBERTSON J . Interpretation of Raman spectra of disordered and amorphous carbon ［J］. Physical Review B ， 2000 ， 61 （ 20 ）： 14095 - 14107 . doi: 10.1103/physrevb.61.14095 http://dx.doi.org/10.1103/physrevb.61.14095

REN Y ， WANG H K ， DEUERLER F . Multi-Peak Fitting Analysis of Visible Raman Spectra on DLC Coatings Deposited by Vacuum Arc ［C］. 2016 International Conference on Advanced Materials and Science Technology （AMST 2016 ）， Shenzhen ， 2016. doi: 10.12783/dtmse/amst2016/11307 http://dx.doi.org/10.12783/dtmse/amst2016/11307

郭俊猛 . 类富勒烯含氢碳薄膜的直流制备及摩擦学性能的研究［D］. 兰州：兰州理工大学， 2015 .

GUO J M . Study on Tribological Performance of Fullerene-like Hydrogenated Carbon Films Prepared by Direct Current Method ［D］. Lanzhou ： Lanzhou University of Technology ， 2015 . （in Chinese）

RYBACHUK M ， BELL J M . Electronic states of trans-polyacetylene， poly（p-phenylene vinylene） and sp-hybridised carbon species in amorphous hydrogenated carbon probed by resonant Raman scattering ［J］. Carbon ， 2009 ， 47 （ 10 ）： 2481 - 2490 . doi: 10.1016/j.carbon.2009.04.049 http://dx.doi.org/10.1016/j.carbon.2009.04.049

张庆堂，吴坤尧，龚珍彬，等 . 以环戊二烯为碳源制备类富勒烯结构碳基薄膜的结构及力学性能［J］. 中国表面工程， 2014 ， 27 （ 4 ）： 89 - 94 .

ZHANG Q T ， WU K Y ， GONG Z B ， et al . Structure and mechanical behavior of fullerene-like carbon films using cyclopentadiene as carbon source ［J］. China Surface Engineering ， 2014 ， 27 （ 4 ）： 89 - 94 . （in Chinese）

杨保平，岳照凡，王永富，等 . 类富勒烯碳薄膜的结构演变及摩擦学性能研究［J］. 润滑与密封， 2020 ， 45 （ 1 ）： 7 - 10， 22 . doi: 10.3969/j.issn.0254-0150.2020.01.001 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2020.01.001

YANG B P ， YUE Z F ， WANG Y F ， et al . Study on structural evolution and tribological properties of fullerene-like carbon films ［J］. Lubrication Engineering ， 2020 ， 45 （ 1 ）： 7 - 10， 22 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.0254-0150.2020.01.001 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2020.01.001

薛群基，王立平，等 . 类金刚石碳基薄膜材料［M］. 北京：科学出版社， 2012 ： 17-20+465 - 489 . doi: 10.1016/j.diamond.2011.10.008 http://dx.doi.org/10.1016/j.diamond.2011.10.008

XUE Q J ， WANG L P ， et al . Diamond-like Carbon-based Thin Film Materials ［M］. Beijing ： Science Press ， 2012 ： 17-20+465 - 489 . （in Chinese） . doi: 10.1016/j.diamond.2011.10.008 http://dx.doi.org/10.1016/j.diamond.2011.10.008

CASIRAGHI C ， FERRARI A C ， ROBERTSON J . Raman spectroscopy of hydrogenated amorphous carbons ［J］. Physical Review B ， 2005 ， 72 （ 8 ）： 085401 . doi: 10.1103/physrevb.72.085401 http://dx.doi.org/10.1103/physrevb.72.085401

徐照英 . 类金刚石（DLC）多层薄膜残余应力调控及其机械性能研究［D］. 成都：西南交通大学， 2013 . doi: 10.1016/j.apsusc.2012.10.003 http://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.10.003

XU Z Y . The Residual Stress Control and Mechanical Properties of Multilayer Diamond-like Carbon Films ［D］. Chengdu ： Southwest Jiaotong University ， 2013 . （in Chinese） . doi: 10.1016/j.apsusc.2012.10.003 http://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.10.003

王丹，徐滨士，董世运 . 涂层残余应力实用检测技术的研究进展［J］. 金属热处理， 2006 ， 31 （ 5 ）： 48 - 53 . doi: 10.3969/j.issn.0254-6051.2006.05.016 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.0254-6051.2006.05.016

WANG D ， XU B S ， DONG S Y . Research progress on practical measurement of residual stress in coatings ［J］. Heat Treatment of Metals ， 2006 ， 31 （ 5 ）： 48 - 53 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.0254-6051.2006.05.016 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.0254-6051.2006.05.016

龚才，代明江，陈明安，等 . 基体材料对TiN薄膜表面液滴及薄膜结合力的影响［J］. 中国表面工程， 2013 ， 26 （ 1 ）： 27 - 33 . doi: 10.3969/j.issn.1007-9289.2013.01.005 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2013.01.005

GONG C ， DAI M J ， CHEN M G ， et al . Effects of different substrates on the droplets and adhesion strength of TiN films ［J］. China Surface Engineering ， 2013 ， 26 （ 1 ）： 27 - 33 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1007-9289.2013.01.005 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2013.01.005

浏览量

353

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

磁场及靶基距对CrAlN薄膜性能的影响