杨发展;沈丽如;高翠;刘海峰;王世庆
【摘 要】The thick diamondlike carbon （DLC） films were deposited on 316 stainless steel by pulsed glow dis charge plasma vapor deposition （PGDVD） and cathodic arc discharge method （CAD）. The composition ,micro structure and mechanical property of the films were investigated by Raman spectroscopy, Xray photoelectron spectroscopy （XPS）,optical microscope, microscopic hardness meter and friction wear testing machine. It was found that the DLC films were improved owing to the compact structure and smooth surface. The G peak and D peak showed a move to a higher wave,the ID/IG and IT/IG intensity rate were 0. 72 and 0.22, respectively. FT IR analysis showed that the film contains more CHx key component of spa ; the friction coefficient reached 0. 100 and the spa content was 60.7X and the thickness was 7mm in film. The mechanical hardness and the frictional surfaces trail of the DLC film were also meaasured%采用脉冲辉光放电等离子体气相沉积法在316不锈钢表面沉积膜层较厚的类金刚石膜层。利用拉曼光谱仪（Rama硅胶海绵条
n）、X射线光电子能谱仪（XPS）、傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）、光学显微镜、显微硬度计和摩擦磨损实验机分别对膜层组成和微观结构及机械性能进行了表征。研究发现,通过脉冲辉光放电等离子体气相沉积法,在316不锈钢表面制备的类金刚石膜层光滑致密;Raman分析得到的ID/IG和IT/IG比值分别为0.72和0.22;FT-IR分析可知膜层含有较多的CHx组成的sp3键;摩擦磨损试验得到膜层的摩擦系数低至0.100,XPS分析膜层sp3含量高达60.7%和光学显微镜测量膜层的厚度达到7mm。由此可知沉积类金刚石膜层后,可以显著地改善316不锈钢表面的机械性能。 ca3780【期刊名称】《功能材料》
【年(卷),期】2012(043)015
【总页数】4页(P1994-1997)小型锅炉
欠压保护电路【关键词】316不锈钢;类金刚石膜层;等离子体气相沉积;表面性能
【作 者】杨发展;沈丽如;高翠;刘海峰;王世庆
【作者单位】核工业西南物理研究院,四川成都610041;核工业西南物理研究院,四川成都610041;核工业西南物理研究院,四川成都610041;核工业西南物理研究院,四川成都610041;核工业西南物理研究院,四川成都610041／成都理工大学工程技术学院,四川乐山614000
【正文语种】中 文
【中图分类】TG174
316不锈钢，即18Cr－12Ni－2.5Mo钢，广泛地应用于食品、化工、核能等领域，是工业上应用最广泛的不锈钢之一。但是，在石油、航天等特定的环境下，由于316不锈钢的硬度较低，耐摩擦磨损性能不够好，很难满足要求。因此，对其表面进行改性处理显得尤为必要。
类金刚石薄膜是指一系列含有sp2（石墨键）、sp3（金刚石键）键的非晶碳膜。它的许多性质也和金刚石相似，例如高硬度、耐磨损、低摩擦系数、化学惰性、高弹性模量、电绝缘性、导热性、生物相容性和光学特性等［1－4］，因此被广泛地应用于机械、化工、声学、电子、光学和生物医学等领域［5－7］。类金刚石薄膜具有金刚石和石墨的杂化结构，
是一种亚稳态的长程无序的非晶碳。其中的碳原子有sp1、sp2（石墨键）、sp3（金刚石键）3种键合组态，且sp1键比例较小，常常可以忽略。一般DLC膜的性质主要由sp2和sp3杂化的相对含量所决定。根据薄膜中碳离子的键合方式和各种键合方式比例的不同，DLC膜可分为含氢DLC膜和无氢DLC膜两大类。一般化学气相沉积法（CVD）制备含氢DLC膜，物理气相沉积法（PVD）多制得无氢DLC膜。虽然类金刚石膜拥有许多优异的性能，但是由于所制备的膜层往往和基体产生较大内应力，导致膜基结合力较差，特别是不同基体上所制备的膜层内应力也不相同，要求制备工艺也不相同。而且类金刚石膜的热稳定性能较差，一般在250℃以上就会由于氢的析出而发生石墨化。
等离子体增强化学气相沉积［7］（plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD）既包括了化学气相沉积技术，又有辉光放电的增强作用。它是以碳氢气体作为碳源的辉光放电沉积技术，一般由射频电源、直流高压电源、脉冲电源、微波和电子回旋共振激发稀薄气体进行辉光放电而得到等离子体。所得的等离子体具有将反应物中的气体分子激活成活性离子，降低反应所需的温度；加速反应物在表面的扩散作用（表面迁移率）和提高成膜速度；对基体及膜层表面具有溅射清洗作用，溅射掉那些结合不牢的粒子，从而加强了形成的薄膜和基板的附着力以及反应物中的原子、分子、离子和电子之间的碰按
、散射作用，使形成的薄膜厚度均匀。由于碳源多为碳氢气体，所以所制备的膜层也多为含氢的DLC。
对于金属基体，特别是含铁较多的金属基体，想获得摩擦磨损性能优越的较厚膜层是十分困难的。本文通过阴极弧放电和脉冲辉光放电等离子体气相沉积法在316不锈钢上沉积制备了DLC膜层，并研究和探讨了所制备DLC膜层的组成和微观结构及摩擦磨损性能。
实验采用我院自行研制的等离子体渗注镀设备。实验中，40mm×30mm×4mm长方体形316不锈钢为衬底，分别经过不同型号金相砂纸和研磨膏进行表面处理，再利用酒精和丙酮各超声清洗15min，然后吹干放入真空室。沉积前，真空室加热至300℃，本底真空抽至3.0×10－3 Pa后，向真空室中充氩气，至压强P为3.3Pa，辉光清洗20min，以洁净表面。然后利用真空阴极弧离子镀在压强为5.0×10－1 Pa、弧流为45A下沉积Ti过渡层10min，再通入乙炔至压强P为6.2×10－1Pa沉积TiC过渡层15min，最后调节脉冲辉光电源电压至3.5kV，通入V（H2）∶V（Ar）∶V（C2H2）比为4∶1∶1，压强P为20Pa下脉冲辉光放电120min。
利用XSAM800（Kratos，AlKα单一激励源）X射线光电子能谱仪（XPS）分析DLC膜层的
C1s能谱；利用德国BURKER TENSOR27红外光谱仪对膜层进行组成和结构分析，波数扫描范围为400～4000cm－1，分辨率优于0.5cm－1下通过单束光扫描完成。光谱的纵坐标选择透射率T（transmittance）表示。利用Labram HR800激光拉曼光谱仪在激发波长为325nm的紫外光下测试DLC膜层的拉曼光谱；涂层与磨痕的微观形貌用OLYMPUS BX51M光学显微镜观察分析；采用HXD－1000TMC显微硬度仪在0.98N载荷下，每个试样进行9点测量，测量所得硬度值取其平均值；采用MS－T3000摩擦磨损试验仪在4.96N载荷、旋转半径为6mm、直径6mm的Si3N4小球为摩擦副和500r/min转速下进行20min干摩擦，测试其摩擦磨损性能。美容灯
图1为DLC膜层的Raman光谱图。光谱均呈现出典型的不对称倾斜散射峰，通常被认为是DLC膜的特征峰型。对Raman光谱图进行高斯分峰拟合，ID/IG和IT/IG分别用各自的峰高比值来表征。拟合后可知G峰、D峰和T峰分别位于1588、1402和1073cm－1处，ID/IG 和IT/IG 分别为0.72和0.22。具体数据如表1所示。通过分析可知，G峰发生了向高波数移动的现象（G－peak为1560cm－1）。根据Ferrari和Robertson［9］对DLC膜的研究发现，G峰的位置随着从红外到紫外的激发波长降低而增加。且定义G峰位置的变化速率作为激发波长的函数为G峰散。此散会随着无序度的增加而增加。同时，D峰和T峰也出现了不
同程度的向高波数移动的现象。且通过ID/IG和IT/IG的比值可知，DLC膜层含有较高的sp3键，且含有相当一部分的C—C sp3键。所沉积的DLC膜层具有类金刚石的相关特性。
图2是DLC膜层通过XPS得到的C1s光谱。对谱图进行Shirley方法扣除背景峰，再对金刚石特征峰（285.2eV）和石墨特征峰（284.4eV）进行 Gaussian－Lorentzian拟合，然后利用拟合分别得到特征峰的面积S1和S2，则：
聚四氟乙烯滑动支座
其中，η（sp3）表示sp3C的含量。拟合后，sp3C峰位和sp2C峰位分别位于285.413和284.613eV处，η（sp3）为60.7%。
图3是DLC膜层的傅里叶红外变换光谱图（FTIR）。由图3可以得知，在2917cm－1附近为CH2反对称伸缩振动sp3键；2850cm－1附近为CH2对称伸缩振动sp3键；1719cm－1附近为CO键；在1455cm－1附近出现了CH3不对称变角sp3键；在1373cm－1处出现CH3对称变角振动；1115cm－1处出现CH2扭曲振动。
表2为316不锈钢基体以及沉积膜层后的维氏硬度值。从表2可以看出，316不锈钢基体的平均维氏硬度为235.2，而沉积完膜层后的复合硬度为978.6，硬度提高了4倍多。利用Jonsson－Hogmark模型［10，11］进行DLC膜层硬度的计算。其具体公式为：
