Cr/Cr-C亚层对DLC薄膜粘附强度和摩擦学性能的影响

《Surface and Coatings Technology》：Effect of the Cr/Cr-C sublayer on the adhesional strength and tribological properties of DLC film

采用磁控溅射技术制备Cr/Cr-C梯度缓冲层DLC镀膜，探究缓冲层厚度对结构、附着力及摩擦学性能的影响。实验表明，144/405 nm缓冲层厚度时镀膜内应力最低（0.15 GPa）、附着力最高（9.1 N），摩擦系数0.2，磨损率1.8×10^-6 mm3/Nm，Cr纳米晶氧化生成Cr?O?提升耐磨性。

　　本研究旨在通过设计一种新型的Cr/Cr-C梯度子层结构，提升在SUS304不锈钢基底上沉积的类金刚石碳（DLC）薄膜的性能。通过磁控溅射技术，研究人员制备了不同子层厚度的Cr/Cr-C/DLC多层薄膜，并系统分析了子层厚度对薄膜结构、结合强度以及摩擦学性能的影响。实验结果表明，这种梯度子层结构能够有效改善DLC薄膜的综合性能，使其在高硬度、高结合强度以及良好的摩擦特性方面表现出色。

DLC薄膜因其优异的硬度、耐磨性和低摩擦系数，被广泛应用于机械工程、电子和医疗等领域。然而，传统的DLC薄膜在某些方面仍存在局限性，例如内部应力较高，结合强度不足，这些因素可能影响其在实际应用中的稳定性与寿命。为了解决这些问题，研究者尝试在DLC薄膜与基底之间引入过渡层，以改善两者的界面匹配性，从而提升薄膜的整体性能。其中，铬（Cr）因其良好的化学兼容性和物理结合能力，成为过渡层材料的首选。

在本研究中，研究人员设计了一种Cr/Cr-C梯度子层，其总厚度为550纳米，并通过调整各子层的厚度比例，探索其对DLC薄膜性能的影响。通过扫描电子显微镜（SEM）对薄膜的微观结构进行表征，发现Cr子层中形成了柱状晶体结构，而Cr-C子层则呈现出不同的纳米晶形态。研究还发现，在Cr-C子层中存在Cr和Cr?C?纳米晶，这些纳米晶在摩擦过程中能够有效分散裂纹能量，防止裂纹的进一步扩展，同时还能在表面氧化生成Cr?O?，从而进一步改善薄膜的摩擦学性能。

实验结果表明，随着Cr子层厚度的增加，薄膜中的sp2-C键含量以及表面粗糙度呈现出先降低后升高的趋势。其中，当Cr/Cr-C子层的厚度比为1:2（即Cr子层厚度为144纳米，Cr-C子层厚度为405纳米）时，薄膜表现出最佳的综合性能。此时，薄膜的内部应力降低至0.15 GPa，结合强度达到9.1 N，硬度为9.1 GPa，弹性模量为63.6 GPa。同时，该薄膜的H/E比值（硬度与弹性模量的比值）和H3/E2比值均较高，表明其在摩擦过程中具有更高的稳定性，摩擦系数稳定在0.2，磨损率则降至1.8×10?? mm3/Nm。这一性能表现优于其他子层厚度比例的薄膜。

进一步分析显示，该薄膜的应力分布呈现出一种优化趋势。在接触区域的中心，最大赫兹应力为253,300 kPa，并且随着直径和深度的增加，应力逐渐减小。这种应力分布的优化有助于减少薄膜在使用过程中因应力集中而导致的裂纹形成和扩展，从而提升其在动态负载下的稳定性。此外，Cr纳米晶在Cr-C子层中的存在，不仅能够有效分散裂纹能量，还能在摩擦过程中氧化生成Cr?O?，这一氧化反应有助于形成一层保护膜，进一步降低磨损率并提高摩擦稳定性。

本研究还探讨了不同子层厚度对薄膜结构和性能的影响。通过调整Cr和Cr-C子层的沉积时间，研究人员能够精确控制其厚度比例，从而实现对薄膜性能的优化。实验数据表明，当Cr/Cr-C子层厚度比为1:2时，薄膜的结构和性能达到了最佳平衡。这一发现对于未来DLC薄膜在高要求工业环境中的应用具有重要意义，尤其是在需要高硬度、高耐磨性和良好结合强度的场合。

在实验方法方面，研究人员采用了一种非平衡磁控溅射技术，通过Cr靶和C靶的协同作用，制备了Cr/Cr-C/DLC多层薄膜。在沉积过程中，使用了高纯度的氩气（Ar）和甲烷（CH?）作为前驱气体，其比例为3:1。通过精确控制各子层的沉积时间，研究人员能够有效调控子层的厚度，进而优化薄膜的整体性能。此外，为了确保薄膜的均匀性和稳定性，实验过程中还对沉积条件进行了系统调整，以获得最佳的沉积效果。

除了对薄膜结构和性能的分析，研究还涉及了薄膜在不同摩擦环境下的表现。实验结果表明，S4薄膜在摩擦过程中表现出更稳定的摩擦系数和更低的磨损率，这表明其在实际应用中具有更高的可靠性。这种稳定的摩擦性能对于需要长时间运行和承受高负荷的机械部件尤为重要，例如汽车发动机部件、航空航天设备以及精密仪器中的运动部件。通过引入Cr/Cr-C梯度子层，研究人员不仅提升了DLC薄膜的性能，还为其实现更广泛的应用提供了理论支持和技术依据。

此外，研究还对薄膜的内部应力进行了计算和分析。结果显示，随着Cr子层厚度的增加，薄膜的内部应力呈现出先降低后升高的趋势。这表明，子层厚度的优化对于控制薄膜的内部应力至关重要。通过合理设计子层厚度比例，研究人员能够有效减少薄膜的内部应力，从而提升其在实际应用中的耐用性和使用寿命。这种应力控制策略为未来薄膜材料的设计提供了新的思路，尤其是在需要兼顾高硬度和低应力的场合。

本研究的创新点在于通过引入Cr/Cr-C梯度子层结构，成功解决了传统DLC薄膜在结合强度和内部应力方面的不足。这种结构不仅能够提升薄膜的机械性能，还能改善其摩擦学特性，使其在复杂工况下表现更加稳定。通过系统的实验分析和理论计算，研究人员验证了这种梯度子层结构的有效性，并为后续研究提供了重要的参考数据。

从实际应用角度来看，本研究的结果具有重要的工程意义。在机械工程领域，高硬度和低摩擦系数的DLC薄膜被广泛应用于减少摩擦损耗和提高设备效率。然而，传统DLC薄膜的高内部应力和低结合强度限制了其在高负荷和高速度应用中的使用。通过引入Cr/Cr-C梯度子层结构，研究人员成功降低了薄膜的内部应力，提高了其结合强度，使得DLC薄膜在更广泛的工业应用中成为可能。

在电子和医疗领域，DLC薄膜同样具有广阔的应用前景。例如，在电子设备中，DLC薄膜可以用于减少部件之间的摩擦，提高设备的运行效率和寿命。而在医疗设备中，DLC薄膜的低摩擦系数和高生物相容性使其成为理想的表面涂层材料。通过优化子层厚度比例，研究人员能够进一步提升这些薄膜的性能，使其在不同应用环境中表现出更优异的特性。

总之，本研究通过设计和优化Cr/Cr-C梯度子层结构，成功提升了DLC薄膜在SUS304不锈钢基底上的综合性能。实验结果表明，当子层厚度比为1:2时，薄膜表现出最佳的硬度、结合强度和摩擦学性能，为未来薄膜材料的开发和应用提供了新的方向。此外，该研究还揭示了Cr纳米晶在摩擦过程中的重要作用，为理解薄膜的摩擦行为提供了重要的理论支持。这些成果不仅有助于推动DLC薄膜在工业领域的进一步应用，也为相关材料科学的研究提供了新的思路和方法。