类金刚石薄膜摩擦学性能研究现状

CVD金刚石薄膜技术发展现状及展望(上)I. 引言A. CVD金刚石薄膜技术简介B. 目的和意义II. CVD金刚石薄膜技术的发展历程A. 早期CVD金刚石薄膜技术B. 发展阶段C. 现代CVD金刚石薄膜技术III. CVD金刚石薄膜技术的研究进展A. 影响金刚石薄膜质量的主要因素B. CVD金刚石薄膜的合成方法C. CVD金刚石薄膜的特性和应用IV. CVD金刚石薄膜技术的挑战和机遇A. 挑战B. 机遇V. 展望A. 未来的研究方向B. 实际应用的前景VI. 结论A. 总结CVD金刚石薄膜技术的进展B. 展望其未来的发展趋势I. 引言CVD金刚石薄膜技术是一种高新材料技术，它是通过将气态前体转化为固态金刚石，并在基底上生长形成金刚石薄膜。

CVD金刚石薄膜技术在磨削、切削、钻孔、陶瓷刀片、热处理等领域具有广泛的应用，是高科技领域的重要组成部分。

自20世纪80年代以来，CVD金刚石薄膜技术发展迅速，并逐步成为实现高精度磨削、加工和电子材料等领域需要的高性能材料之一。

本文将探讨CVD金刚石薄膜技术的发展历程、研究进展、挑战和机遇，以及未来的发展前景。

II. CVD金刚石薄膜技术的发展历程A. 早期CVD金刚石薄膜技术CVD金刚石薄膜技术最早起源于20世纪50年代，当时研究人员尝试将钻石立方晶型中的非晶碳沉积于硅晶体表面，但是固体碳薄膜在表面温度较高时很容易退火，而且成分不稳定，这限制了该技术的进一步发展。

B. 发展阶段20世纪70年代，随着CVD技术的发展，研究人员开始探索构建高品质金刚石薄膜制备技术，这标志着CVD金刚石薄膜技术进入了新的发展阶段。

80年代，美国和日本的研究团队先后报道了成功的金刚石薄膜合成实验，这次的突破为CVD 金刚石薄膜技术的实用化奠定了基础。

90年代，随着纳米技术的发展，研究人员对金刚石薄膜在纳米尺度下的性质进行了深入研究，使得CVD金刚石薄膜技术更加完善成熟。

C. 现代CVD金刚石薄膜技术随着科技的不断更新，CVD金刚石薄膜技术也不断得到提高和完善。

金刚石薄膜的研究现状与发展前景作者：李超杰来源：《硅谷》2013年第08期摘要文章介绍了金刚石的性质和应用，总结了金刚石薄膜研究的历史，论述了金刚石薄膜的优良特性和技术发展，指出国内外学术界都在不断地开拓和发展金刚石薄膜的应用领域。

关键词金刚石；金刚石薄膜；研究现状；发展前景中图分类号：TG174 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）042-002-021 金刚石的性质与应用1.1 性质金刚石的硬度、密度、声速、导热率和弹性模量，是我们所知道的材料中最高的，但是它的压缩率非常低，是最低的。

在所有材料中，金刚石的杨氏模量也是已知材料中最大的。

金刚石的动摩擦系数只为0.05，像聚氟四烯的摩擦系数那样低。

在已知材料中，金刚石的摩擦系数也是最低的。

在我们所知的一切材料中，金刚石表现出最高的声音传播速度。

材料比较重要的性质之一是，在已知波长和温度下的情况下的折射率和光学吸收。

金刚石在红外和紫外区均表现出很好的折射率和极低的光吸收系数。

金刚石材料不与普通的酸性物质发生化学反应，即使在高温下仍然这样。

1.2 应用由于其超强的硬度和较低的摩擦系数，金刚石可用做刀具。

由金刚石加工而最易达到机械变形的材料有A1、A1合金、Cu、Cu合金、氯化物、氟化物、多碳化物、塑料、石英、蓝宝石、NaCl、SiC、Ti、ZnS和ZnSe。

金刚石也可作磁盘的涂层以保护磁头在磁盘上的碰撞，由此需要表面光滑和具有一定硬度。

此外，精细粒多晶金刚石膜可以用做导线模具和水喷嘴，因为多晶人造金刚石喷嘴硬度均匀且质量轻，后者对于大多数流水线切削操作至关重要。

金刚石的导热效率为20W/cm/℃，把它作为导热器是非常合适的。

由于金刚石材料具有很高的导热率，所以金刚石被认为是最理想的热交换材料（热源和热散热器）在电子应用方面，金刚石已被用做电绝缘导热体。

最近几年时间，高功率的激光二极管已经被安装在金刚石材料上，目的是改善二极管的使用性能和增加二极管的输出效率。

第48卷第4期 2020年4月硅 酸 盐 学 报Vol. 48，No. 4 April ，2020JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY DOI ：10.14062/j.issn.0454-5648.20190416类金刚石薄膜热稳定性及热磨损机理研究进展黄 雷，袁军堂，李 超，汪振华(南京理工大学机械工程学院，南京 210094)摘 要：类金刚石(DLC)薄膜作为典型的固体润滑剂，耐热性差一直是制约其高温服役性能以及产业化推进的主要原因之一。

高温将直接影响DLC 碳基骨架稳定性，进而限制其优异摩擦学性能的发挥。

分别从DLC 热稳定性影响因素、热稳定性研究方法以及热磨损机理研究进展3个方面展开介绍，分析未来的发展趋势，以期为DLC 高温环境下服役性能研究提供技术参考。

关键词：类金刚石；热稳定性；热磨损机理中图分类号：TG711 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2020)04–0599–09 网络出版时间：2019–12–25Research Progress on Thermal Stability and Thermal Wear Mechanismof Diamond-like Carbon FilmsHUANG Lei , YUAN Juntang , LI Chao , WANG Zhenhua(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)Abstract: Diamond-like carbon (DLC) regarded as a typical solid lubricant has been dramatically restricted by internal weak thermostability, which further shortens the intrinsic service life and obstructs its industrialization. While working at elevated temperatures, the carbon matrix of DLC changes along with the deterioration of its superior tribological performance. In this paper, the latest progress on thermal stability and thermal wear mechanism of DLC film were reviewed and future research direction was proposed as well, aiming to provide technical reference for the studies on high-temperature service performance of DLC film.Keywords: diamond-like carbon; thermal stability; thermal wear mechanism类金刚石(DLC)薄膜是一类包含金刚石sp 3杂化结构和石墨sp 2杂化结构的亚稳态非晶体，作为典型的固体润滑材料，集高硬度、低摩擦、减摩耐磨特性于一身[1‒4]。

第!"卷第#期超硬材料工程$%&’!" ())*年"月+,-./01/2314./516.7857../57819:; ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;’())*类金刚石膜的实用化现状与今后展望<=日>織田一彦摘要?26@膜是一种类似金刚石的非晶碳膜A具有优异的摩擦学性能A被应用于有高耐磨性和低摩擦要求的机械零件B已开发出多种26@膜沉积工艺B近年来A26@膜可在多种材料上沉积A应用范围正在扩大B在承受高负荷的摩擦学领域A26@膜现可应用于切削刀具B26@膜可应用于易被热能损伤的橡胶或高分子基体B从保护地球环境的观点出发A应开发可用于汽车部件的26@膜以改善燃油经济性B此外A除了摩擦学用途外A还开发出诸如高分子材料阻气层的新应用B本章对26@膜的新用途和新研究作了评述B关键词?26@C综述C摩擦学C切削刀具C汽车发动机部件C橡胶中图分类号?4D!*#文献标识码?1文章编号?!*E F G!#F F H())*I)#G))#J G)*!前言26@膜H类金刚石膜I是2K L M%N O6K P Q@L R S%N 之略A一般指利用非平衡气相工艺合成的以碳或以碳和氢为主要成分的非晶碳基薄膜材料A是一种兼有低摩擦系数和高耐磨性的材料B!J E!年A1K T Q N S Q R:等人利用离子束沉积工艺首次合成出26@膜=!>A后来A UQ K T T M L N V Q&等人经过开拓性研究=(W F>A如今已经能够利用各种非平衡气相工艺来合成=#W J>B从微观上看A 26@的结构A含有许多相当于金刚石结构的T X F键A而且还含有T X(键Y G@0N基等氢末端结构Y悬空键等A 这些微观结构的比例不尽相同B因此A26@的物性范围很广B26@也可以说是一种具有金刚石Y石墨和烃类树脂的中间结构与物性的材料=!)>B其实用化始于()世纪")年代中期=!!>A从()世纪J)年代起A各种应用以滑动部件为中心拓展开来B()世纪J)年代后半期以后A26@技术在实用层面上进展显著A随着26@材料本身的种类和所适用基底的种类增加A用途也在向滑动部件以外的领域拓展A情况引人注目B尤其近年对于世界地球环境问题关注的趋势A26@由于其低摩擦系数Y高耐磨性等性能A符合减轻环境负荷Y节能Y轻量化等要求B因此A其开发十分活跃B下面从产业应用的角度介绍26@最近的技术动向B(26@膜的合成方法26@一般利用非平衡等离子体或离子束沉积工艺合成B工业上已达到实用化的工艺有以碳为气源的等离子体@$2工艺Y电离蒸镀工艺Y将原料从固体直接气化的溅射工艺Y阴极电弧离子镀工艺等B各工艺的简单比较见表!B无论哪种工艺A沉积温度一般均从室温到F))Z左右不等A合成温度可比同属碳基材料的热解碳或@$2金刚石低B因此A其适用基底可在很宽范围内选择B等离子体@$2工艺的源气体使用甲烷Y苯等烃气或氢气B激活源采用高频Y微波Y脉冲2@Y热电子等A烃在由此发生的等离子体中分解A形成烃基A堆积在基底表面而合成出薄膜B膜中氢含量从百分之几到百分之几十不等B因此该薄膜也有含氢非晶碳膜L[@ \0之称B一般来说A源气体烃的分解速度越快A膜中的氢含量越少A密度和硬度越大A应力就越高B该工艺容易低温合成A即便有绝缘性的基底也易适用A也有在后面所说的橡胶和树脂等基底上应用的实例=J>B 电离蒸镀工艺是用热电子等分解源气体烃气A离子靠电离部分和基底的电位差得到加速A冲击基底而析出=(W F>B真空容器的壁面设有多个离子源A以扩大处理面积和加快沉积速度B膜中含氢这一点与等离子体@$2工艺相同B溅射工艺是以固体碳为原料A通过2@Y脉冲2@Y高频等使碳发生溅射和蒸镀B根据合成是否使用氢气或烃气A可合成含氢非晶碳膜L[@\0Y不含氢非晶碳膜L[@B在溅射工艺中A尤其在非平衡磁控溅射工艺H,]3+工艺I中A由于强等离子体可在距阴极很远处形成A基底附近的激发反应性很高A近年作为J#<收稿日期?())*G)^G!)!"#的合成工艺之一$其正在得到普及%表&!"#膜的沉积工艺工艺等离子体#’!离子束沉积溅射阴极电弧离子镀装置碳源烃气烃气固体碳固体碳薄膜()#*+含金属()#*+()#*+()#含金属()#*+()#备注表面平整光滑适用于绝缘体表面平整光滑易掺杂另一种材料硬度高表面粗糙阴极电弧离子镀工艺则是在固体碳阴极表面发生电弧放电$造成碳原子气化和激发而进行蒸镀,-.%一般可合成不含氢的非晶碳膜()#%由于电离率高$碳膜的硬度和/01键含量均高$有时也称为四面体非晶碳,2324(5364(7(894059:/;(4<9=>2()#?.膜$以区别于其它!"#膜,@.%!"#膜也以其表面平整光滑而著称$但阴极电弧离子镀工艺存在原料固体碳阴极的微米级粒子进入膜中而导致表面粗糙度增大的问题%因此$开发出了其它工艺$在阴极前方设置致偏磁场$只让来自阴极的低质量离子转向到达基底$以改善膜表面的平滑性,@$A.%另外$将几个工艺加以组合$使膜含碳以外元素的手段也达到了实用化%例如$有一种方法是$用等离子体#’!工艺将烃气分解B蒸镀$同时用溅射工艺气相沉积金属成分,C$D.%如!"#中弥散金属成分的金属添加!"#膜B呈金属碳化物与!"#叠层结构的复合膜B厚度方向成分不同的梯度组成结构膜等已通过这种方法开发成功%使用这类膜的目的在于缓和!"#膜的高内应力$有利于改善与基底的界面亲合性$确保实用层面要求的附着强度和可靠性%另外$还有一种方法是$为了根据应用场合而调整!"#本身的物性$使其含有碳以外的元素%1!"#膜的物性!"#是一种兼备多种优异性能的材料%!"#膜的各种性能见表E%!"#的物性起因于其/01键%机械B化学B光学及电学性能分别在硬度大$杨氏模量高$耐蚀性优异$红外线透过性B折射率较大$及绝缘性好中得到了充分体现%表E!"#膜的性能硬度>F G(?&H I@H杨氏模量>F G(?E A H I@H H摩擦系数H J&IH J E电阻率>K L8?&H@I&H&E介电常数1J E IC J1折射率&J D IE J C密度>M N;81?&J@I1J E尤其是!"#膜的摩擦学性能卓越$图&I图1为各种材料经镀敷!"#后的摩擦系数B磨损深度和摩擦副的磨损深度O图C为几种材料与铝合金的摩擦系数和粘咬量%金属B陶瓷材料在大气中的的摩擦系数一般从H J C到H J A左右不等$它们经过镀敷!"#以后$摩擦系数可降低到H J&IH J E左右%另外$镀敷!"#后$在被镀敷材料本身的磨损量大幅度减少的同时$滑动副的磨损量也会大幅度降低%还有$在与一般容易发生粘咬的铝合金等软质金属的摩擦中也几乎不会发生粘咬%图&销盘试验时的!"#膜的摩擦学性能>摩擦系?H -图!销盘试验时的"#$膜的摩擦学性能%盘的磨损深度&图’销盘试验时的"#$膜的摩擦学性能%接触材料的磨损深度(销&图)销盘试验时几种材料与铝合金的摩擦系和咬合高度这些性能可能起因于相当于金刚石结构的*+’键,表面平滑,化学惰性等因素-另外.含氢的/0$12在最初期表现出较高的摩擦系数.但滑动面上随着滑动形成高级烃34!5.金刚石性提高.因此暗示着摩擦系数将会降低-实际上.即使是表面经过仔细研磨的金刚石膜.耐磨性自不必说.摩擦系数,摩擦副的磨损量,耐粘咬合性等也等同或优于"#$-)"#$膜的应用"#$膜由于其摩擦学性能优异.早就在滑动,耐磨,抗粘咬场合等得到了实际应用-在滑动场合的应用体现于!6世纪76年代初期的纺织机械部件,供水用热水阀,半导体制造装置部件等方面(在耐磨场合的应用体现于摄像机,光盘部件,磁头和硬盘等磁性存储器保护膜等方面(引线框模具,铝加工模具,粉末成型模具等则属于抗粘咬场合的应用34’84)5-但是.这些应用均集中在较轻负荷工况.高负荷工况下的应用则极为罕见-不过.近年来."#$不断得到改进.在高负荷工况下的应用正在逐渐扩大-另一方面.对于在"#$过去几乎不适用的树脂制品以及摩擦学领域以外的应用.也在作积极的尝试-下面介绍"#$的一些应用示例-)94在刀具上的应用切削刀具的工作环境远比机械部件苛刻-因此.历来使用:;<,:;$,:;$<,$=<,>?<,>?!@’之类的高附着性,高耐磨性碳化物,氮化物,氧化物涂层-而近年来.从节能,保护地球环境的观点出发.切削加工有明显减少使用切削油的趋势.但传统的涂层材料已无法满足相应的要求-使用切削油的目的在于改善加工时的润滑性能,提高冷却效率,便于排屑.减少切削油势必给切削性能带来严重的负面影响-例如.看上去象是柔软而容易加工的铝合金.其实由于柔软.刀具表面容易出现粘刀问题-剥离性好,摩擦阻力小的"#$开始实用于铝合金用切削刀具-图A8图B为实用化切削刀片,立铣刀和钻头的外观34A5-这些"#$涂层切削刀具拥有降低切削力,便于不用切削油的干加工,减少加工表面粗糙度,提高加工精度等多种良好效果-图C为硬质合金立铣刀加工铝合金>A6A!时的切削力比较-可以看出.在使用乳化切削油和不用切削油的情况下.切削力均以"#$涂层立铣刀为小.且切削力的差异尤以干切时为大-硬质合金切削刀片也呈同样的趋势.干切时的切削力大幅度减少.主分力实际上减少到4D’-对于切削后的未涂层切削刀片.刀尖前面大多出现铝合金黏着现象."#$涂层切削4A刀片则根本无此现象!另外"钻头在有切削油的钻孔加工时"切削力可降低到未涂层钻头的#$%&#$’"可相应地大幅度提高钻削速度!图(为立铣刀切削后的被加工表面光洁度的比较!可以看出"使用切削油时"图’)*+涂层刀片图,)*+涂层立铣刀图-)*+涂层钻头图.切削力的比较图(表面粗糙度的比较表面光洁度几乎没有差别"干切时差异则十分明显!切削刀片加工也同样!经证实"在钻头的钻孔加工中"除了改善加工面的光洁度外"孔径扩大也可控制在很低程度"这有利于提高加工精度!这些刀具的切削性能的改善可能是由于)*+的摩擦系数小的缘故!图#/所示是以切削刀片为例的排屑仿真结果!由于刀具前面的摩擦系数从/0.降低到/0#"排屑状态发生了很大的变化"切削力降低到#$%"切削温度也从,#/1降低到2-/1"下降竟达#//1以上!实际的切屑形状与模拟结果十分相符!图#/排屑的仿真)*+膜能够在这种切削加工领域加以利用"而且一向认为)*+的性能优异而可靠性低"但近来对其评价正在发生很大的变化!203在橡胶和树脂材料上的应用面向这种高负荷场合普及的同时"低负荷场合也在推进其新的应用!其中一项就是利用)*+可低温合成的特点"在橡胶4树脂等等有机材料上加以应用!尤其是橡胶"基于其柔软性"在密封件等各种场合都有应用"但对提高其滑动性和耐久性有着强烈的要求!特别是电池驱动的携带式器械"减少摩擦阻力有助于降低电耗"而且在很大程度上影响电池的耐久性!小型摄像机变焦镜头的伸缩部分兼有防水功能和3’遮光功能!一般使用橡胶"形环#在维持防水和遮光所必需的柔软性的同时!为了改善滑动光滑性和提高耐久性!近年来!这种"形环开始采用$%&#图’’为"形环的外观照片()!’*+#用于橡胶的$%&与用于金属和陶瓷材料的$%&相比!对柔软性的要求高#因此!对于橡胶,树脂用的$%&!力求能嵌藏裂纹和褶皱,吸收伸缩!以便迎合基底的伸缩#对这种有机材料有滑动性和密封性要求的用途很广!期待今后不断得到发展#图’’小型变焦摄像机与$%&涂层橡胶环-./汽车部件虽然$%&在摩擦学领域的应用正在扩大!但接着要解决的课题是在汽车领域中正式应用!$%&可能会带来摩擦损失的减少#关于降低汽车的燃油耗!发动机设计非常重视改善发动机零件的摩擦阻力#尤其是气门传动机构中凸轮与随动件间的摩擦损失!在发动机整个摩擦损失中所占的比例最大!高达012以上#从前就有将$%&应用于汽车零件以减少摩擦损失的想法!但因$%&的附着性差而导致可靠性低!以及靠真空工艺合成的成本太高!阻碍了这一想法的实现#另外!虽然$%&在大气中,真空中和水中摩擦系数大幅度减少!但在发动机油中与普通材料相比!充其量只能降低0123/12!就在发动机零件中的应用而言!除了成本高的因素外!性能也有点美中不足#因此!着眼于$%&和发动机油的亲合性!尝试通过改善亲合性来减少在发动机油中的摩擦阻力(’43’5+#出于改善润滑性,耐磨性和抗氧化性等诸性能的目的!在发动机油中加入各种添加剂#对于汽车零件广泛应用的材料66金属而言!为了便于在其表面发生作用!添加剂经过了认真的调制#而$%&属于表面呈惰性的材料!发动机油中添加剂对$%&表面可能几乎不发生作用#因此!进行了相应的探讨!将金属或金属化合物弥散于$%&膜中!以提高发动机油中添加剂与$%&的亲合性#图’0为经过弥散78的$%&的透射电镜照片#深色区为结晶78&9浅色区为非晶碳相#可以看出!78&呈纳米级弥散#图’/为这种78弥散$%&和其它材料在大气和发动机油中的摩擦系比较#78弥散$%&在发动机油中的摩擦阻力实现了摩擦系数约为钢铁材料的:12#看来!$%&除了其本身所具有的低摩擦系数外!还有发动机油的摩擦系数降低效果!已经能够实现前所未有的低摩擦了#图’078弥散$%&的透射电镜照片图’/78弥散$%&在空气和发动机油条件下的摩擦系数经证实!金属添加$%&和发动机油中添加剂的亲合性有所改善!因此对滑动面进行了解析#图’-和图’:为解析结果#普通$%&和78弥散$%&的滑动面相比!78弥散$%&的表面证实有;<=$7>和发动机油中的有机添加剂成分!且发现其量有随78添加量的增加而增加的趋势#这里只解说了添加78的实例!但据证实!除了78以外!弥散&?,@A等金属也可获得同样的效果#而发动机中的添加剂有不同的种类!其种类和添加量也属于各厂家的技术秘密#通过优化添加剂种类和弥散于$%&的金属种类的组合!摩擦系有可能进一/:图!"滑动面上检测出的硫离子强度图!#滑动面上吸收有机分子的红外光谱分析结果步降低$例如%有报道称%对于该&’弥散()*膜%如果只在机油中添加+,-(&.%摩擦系数则几乎不会下降%而在机油中添加(&.和/0-(&*%摩擦系数则大为降低1!23$通过这种配合%发动机零件的润滑性能可能进一步改善$要在汽车上实际应用%仍然存在进一步优化材料和降低成本等课题%不过这种根据工作环境设计材料4改善性能的手段%在包括汽车以外的领域在内%有望得到广泛的应用$"5"其它努力以上以摩擦学领域为中心介绍了()*的最近技术动向%而对在摩擦学领域以外的应用也有着很浓厚的兴趣$从67世纪87年代起%在利用源于高弹性模量的优异声学性能的扬声器振膜4利用红外线透过特征的红外线窗口材料的无反射涂层4利用干涉色的装饰品等上都进行了应用1!!3$近年来%正在积极地推进()*在新领域中的应用开发$利用()*优异阻气性的应用开发便是其中的一例$表9为.:&;聚对苯二甲酸乙二酯<和()*涂层.:&的透氧率的比较1673$可以看出%经过镀敷()*以后%透氧率大幅度减少$这种倾向在二氧化碳4水等中也得到了证实$提倡将这种特性应用于.:&瓶阻气层的开发$.:&瓶因其重量轻4容易回收%因此正在迅速地替代玻璃4钢和铝$但是%.:&容易透过氧4二氧化碳等气体分子%在防止饮料的氧化4碳酸饮料的二氧化碳的密封性等方面尚有问题$为此%对.:&瓶上镀敷阻气性优异的=’>6的手段也进行过部分开发%但从回收角度来看%=’>6的利用还有一定的难度$()*和.:&同属碳基材料%容易回收$通过在.:&瓶内表面镀敷厚度仅有数十纳米的()*膜%保质性可望等同于玻璃瓶或玻璃罐$另外%不限于.:&瓶%改善树脂材料阻气性的需求很大%饮料以外的发展也引人注目$表9透氧率比较透氧率.:&瓶757"??@天()*涂层.:&瓶75776??@天在其它应用方面%医疗领域也在探讨()*的应用$前面说过%()*表面呈惰性$另外%()*属于碳基材料%对人体很温和$因此%()*具有良好的生态适应性%而且可降低血栓在植入体表面的形成%这一问题正在得到证实%人工心脏瓣膜4支架等植入体的表面处理已引起人们的关注16!3$这些都可以说是非常令人感兴趣的开发实例$#结语以上就()*的最近技术动向作了解说%但()*膜今后的发展应注意两种趋势$第一种趋势是与地球环境问题有关%更进一步促进()*在摩擦学领域的发展%尤其是在汽车零件上的正式应用$近年来%各国都在广泛开展以减轻环境负荷为目标的活动$尤其是运输部门%随着矿物燃料的大量消耗%*>6排放量大量增加%迫切希望能更进一步降低燃油耗$对于以()*降低燃油耗的尝试%除了本文介绍的情况外%还在作各种探索$另一个趋势是%过去虽然在耐磨4滑动4防咬合的应用方面先走了一步%但新的扩展应面向不同于这种摩擦学的领域$本文介绍了利用阻气性的应用示例和医疗领域的应用示例%但在研究层面上%对于储氢4场发射4层间绝缘膜4/:/=;微电子机械系统<4能源和电子器件领域%人们也在付出努力$在.:&瓶的应用开发中%已能()*镀敷处理且成本相当低%这尤其值得注目%()*的应用有望涉足于汽车领域等过去因成本太高而一度放弃的场合$蒋修治译自A粉体B C D粉末冶金E F0G5#!% H058%677"" #。

表面技术第53卷第8期DLC基纳米多层膜摩擦学性能的研究进展与展望汤鑫1，王静静1*，李伟1，胡月1，鲁志斌2，张广安2（1.上海理工大学 材料与化学学院，上海 200093；2.中国科学院兰州化学物理研究所 固体润滑国家重点实验室，兰州 730000）摘要：类金刚石（DLC）薄膜是一种良好的固体润滑剂，能够有效延长机械零件、工具的使用寿命。

DLC 基纳米多层薄膜的设计是耐磨薄膜领域的一项研究热点，薄膜中不同组分层具备不同的物理化学性能组合，能从多个角度（如高温、硬度、润滑）进行设计来提升薄膜力学性能、摩擦学性能以及耐腐蚀性能等。

综述了DLC多层薄膜的设计目的与研究进展，以金属/DLC基纳米多层膜、金属氮化物/DLC基纳米多层膜、金属硫化物/DLC基纳米多层膜以及其他DLC基纳米多层膜为主，对早期研究成果及现在的研究方向进行了概述。

介绍了以上几种DLC基纳米多层膜的现有设计思路（形成纳米晶/非晶复合结构、软/硬交替沉积，诱导转移膜形成，实现非公度接触）。

随后对摩擦机理进行了分析总结：1）层与层间形成特殊过渡层，提高了结合力；2）软/硬的多层交替设计，可以抵抗应力松弛和裂纹偏转；3）高接触应力和催化作用下诱导DLC中的sp3向sp2转化，形成高度有序的转移膜，从而实现非公度接触。

最后对DLC基纳米多层膜的未来发展进行了展望。

关键词：DLC基纳米多层膜；力学性能；摩擦学性能；摩擦机理；结构中图分类号：TH117.1；TH142.2文献标志码：A 文章编号：1001-3660(2024)08-0052-11DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2024.08.005Research Progress and Prospects on Tribological Propertiesof DLC Based Nano-multilayer FilmsTANG Xin1, WANG Jingjing1*, LI Wei1, HU Yue1, LU Zhibin2, ZHANG Guang'an2(1. School of Materials and Chemistry, Shanghai University of Technology, Shanghai 200093, China; 2. State Key Laboratory ofSolid Lubrication, Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China)ABSTRACT: Friction and wear can cause surface damage of materials, especially metal materials, and shorten the service life of work pieces. DLC (diamond-like carbon) is an amorphous carbon film composed of mixed structures, usually formed by the mixture of sp2 carbon and sp3 carbon. With high hardness, low friction coefficient, good chemical inertness and biocompatibility, DLC is a kind of film with great potential, which has a wide range of applications in mechanical, electrical, biomedical engineering and other fields. Its super-hard, wear-resistant and self-lubricating properties meet the technical requirements of the modern manufacturing industry. It is widely used as solid lubricant for the surfaces of contact parts that rub against each other.收稿日期：2023-05-08；修订日期：2023-10-12Received：2023-05-08；Revised：2023-10-12基金项目：中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室开放课题（LSL-2205）；上海高校青年教师培养资助计划Fund：Open Project of State Key Laboratory of Solid Lubrication, Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences (LSL-2205); Shanghai University Youth Teacher Training Assistance Program引文格式：汤鑫, 王静静, 李伟, 等. DLC基纳米多层膜摩擦学性能的研究进展与展望[J]. 表面技术, 2024, 53(8): 52-62.TANG Xin, WANG Jingjing, LI Wei, et al. Research Progress and Prospects on Tribological Properties of DLC Based Nano-multilayer Films[J]. Surface Technology, 2024, 53(8): 52-62.*通信作者（Corresponding author）第53卷第8期汤鑫，等：DLC基纳米多层膜摩擦学性能的研究进展与展望·53·Compared with single-layer DLC films with single component, DLC based nano-multilayer films with alternating layers of two or more components can improve the mechanical and tribological properties better, which is due to that different layers in the nano-multilayer films have different combinations of physical and chemical properties. Therefore, it can be designed from many aspects (such as high temperature, hardness, lubrication, and corrosion) to improve the mechanical properties, tribological properties and corrosion resistance of the films. Usually, the nano-multilayer films have good impact resistance and plastic deformation resistance ability, which can effectively inhibit the formation and propagation of cracks, and have a good cycle service life under high load conditions.In this paper, DLC based nano-multilayer films were systematically reviewed, including metal/DLC based nano-multilayer films, metal nitride/DLC based nano-multilayer films, metal sulfide/DLC based nano-multilayer films and other DLC based nanolayer films. Firstly, the design background and concept of DLC multilayer thin films were elaborated. The design idea of multilayer films was to form a gradient mixing interface between multilayers to achieve gradient changes in composition and properties. This multilayer structure could produce unique structural effects, which could effectively reduce various stresses generated during the friction process, and significantly improved the adhesion strength between film and substrate and the overall elastic modulus of the film, which had important significance for the structure evolution of DLC based nano-multilayer films and the interface action mechanism. Then, the friction mechanisms were summarized. The main friction mechanisms of DLC multilayer films were concluded as follows: 1) The nanocrystalline/amorphous structure was formed, which improved the binding force between the layers and reduced the shear force and friction force; 2) The soft/hard multilayer alternating design resisted stress relaxation and crack deflection; 3) Under the action of pressure, the amorphous carbon layer was induced to forma two-dimensional layered structure to achieve incommensurate contact and effectively reduce friction and wear. Finally, thefuture development of DLC-based nano-multilayer films was forecasted. To improve the tribological properties of DLC composite films under extreme, varied and complex conditions, it is necessary to carry out researches from multiple perspectives: 1) Establishing a multi-material system, which combines doping and multilayer gradient design; 2) Regulating the crystal growth rate and increasing the deposition rate and density of the films by multi-technology co-preparation;3) Establishing a more scientific model to study the friction mechanism of DLC.KEY WORDS: DLC based nano-multilayer films; mechanical properties; tribological properties; friction mechanism; structure摩擦磨损现象广泛存在于机械零件的直接接触中，如机械传动、齿轮咬合。

类金刚石薄膜球盘法测试类金刚石薄膜的摩擦磨损性能1范围本文件为类金刚石（DLC）薄膜的摩擦系数和比磨损率的测定规定了流程并提供了指导。

该方法规定材料在干燥条件下，采用球对盘结构配副进行测试。

本文件不适用于DLC薄膜涂层的部件在润滑环境下的测试。

2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。

其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T1182，产品几何技术规范（GPS）—几何公差-形状、方向、位置和跳动公差（GB/T1182-2018，ISO1101，MOD）GB/T6062，产品几何技术规范（GPS）—表面结构：轮廓法—接触（触针）式仪器的标称特性（GB/T 6062-2009，ISO3274，IDT）GB/T308.1，滚动轴承—球—第1部分：钢球（GB/T308.1-2013，ISO ISO3290-1，NEQ）GB/T308.2，滚动轴承—滚珠—第2部分：陶瓷滚珠（GB/T308.2-2010，ISO3290-2，IDT）ISO3611，产品几何技术规范（GPS）—尺寸测量设备：外部测量用千分尺-设计和计量特性GB/T10610，产品几何技术规范（GPS）—表面结构：轮廓法表面结构—术语，定义及参数（GB/T 10610-2009，ISO4287，IDT）ISO13385-1，产品几何技术规范（GPS）—尺寸测量设备—第1部分：卡尺；设计和计量特性ISO80000-1:2009，量和单位—第1部分：总则3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。

磨损Wear固体材料由于与一种或多种材料接触发生相对运动，其表面质量逐渐减少的过程。

磨损测试Wear Test滑动接触中材料摩擦磨损性能的评价方法。

球盘试验法Ball-on-disc Method在一定载荷下，将球形试样接触到旋转的圆盘试样上，从而产生滑动接触的磨损试验。

基底对类金刚石薄膜摩擦学性能的影响张仁辉;赵娟【摘要】为了研究不同基底对类金刚石薄膜摩擦磨损性能的影响,采用等离子体增强化学气相沉积方法在高速钢、SiC和304不锈钢基底上成功制备了类金刚石薄膜.采用SEM,TEM,Raman测试手段对膜层的微结构进行了表征:SEM表征结果显示膜层总厚度约为6.5 μm,而且层与层之间有明显的界面;TEM表征结果显示沉积的膜层为无定型结构;Raman光谱分析显示沉积的薄膜存在明显的G峰和D峰,可以确定沉积的薄膜为类金刚石薄膜.摩擦测试结果显示,基底对类金刚石薄膜摩擦磨损性能具有显著影响,对于不同基底,钢球对偶上均存在明显的转移膜,高速钢基底的磨痕宽度最小,而且沉积在高速钢基底上的类金刚石薄膜具有最低的磨损率,摩擦系数约为0.1.采用Raman光谱对不同基底磨痕表面微结构进行了分析,认为高速钢基底具有最低磨损率可归因于其磨痕的石墨化程度低.研究可为制备具有优异摩擦磨损性能的类金钢石薄膜提供参考.%In order to well investigate the effect of different substrates on the friction and wear of diamond-like carbon (DLC) coating, the DLC coatings are deposited on substrates like the high-speed steel (HSS), SiC and 304 stainless steel by using plasma enhanced chemical vapor deposition method.The diamond-like carbon is prepared.The microstructure of the coatings is characterized using SEM, TEM and Raman.The SEM results exhibit that the total thickness of the coatings is about 6.5 μm, and there''s apparent interfaces between layers.The TEM results imply that the coatings have an amorphous structure.Raman spectrum exhibits that G and D peaks are observed, which implies that the deposition coatings are diamond-like carbon coating.The results oftribological tests show that the substrates have a significant effect on the friction and wear of the coating.For different substrates, the transfer film is found on the steel counterpart surface, the wear track of the HSS has a lowest width, and the DLC coating that deposited on HSS exhibits the lowest wear and low friction coefficient (about 0.1).The microstructure of different substrates wear track surfaces is analyzed by using Raman spectrum, and the lowest wear of the HSS is attributed to the lower degree of the graphitization.The research provides reference for preparing the DLC coating with excellent tribological properties.【期刊名称】《河北科技大学学报》【年(卷),期】2017(038)003【总页数】5页(P244-248)【关键词】摩擦学;摩擦系数;类金刚石;Raman;SEM;TEM【作者】张仁辉;赵娟【作者单位】铜仁学院材料与化学工程学院,贵州铜仁 554300;铜仁学院材料与化学工程学院,贵州铜仁 554300【正文语种】中文【中图分类】O646众所周知，类金刚石薄膜具有优异的摩擦磨损性能[1-3]，这主要归因于其高硬度和高化学惰性。

智库理论智库时代·210·金刚石膜及类金刚石膜的光学应用研究进展曹倩雯（南京理工大学紫金学院电子信息工程系，陕西西安 710038）摘要：金刚石膜以及类金刚石膜在光学元件的保护中有着重要的作用，金刚石膜以及类金刚石膜的特性决定了他们的使用方式，由于这两种膜的高硬度、低摩擦系数、高稳定性，所以在光学元件的保护膜方面普遍选用这两种膜。

金刚石膜的宽光透过特性是选用金刚石膜的重要依据之一。

类金刚石膜的优点更多，类金刚石膜的制备较为简单，而且类金刚石膜的表面比金刚石膜的表面更加光滑，折射率容易控制，对于硅类材料的红外线透性有很好的增加效果。

关键词：金刚石膜；类金刚石膜；光学仪器中图分类号：P619.24+1文献标识码：A文章编号：2096-4609（2019）33-0210-002由于类金刚石膜的内部可以用其他材料代替碳氢键，有效减少碳氢键对光线的吸收峰，对于红外线类光学元件有很好的保护作用。

事实上，金刚石的折射率大约在2.3左右，类金刚石膜的折射率在2的上下0.5左右浮动，光学元件对于保护膜的定义是折射率越高，保护效果越好，所以金刚石膜以及类金刚石膜对于光学元件的保护效果好于其他材料的保护膜。

一、金刚石膜以及类金刚石膜的简介光学元件对于保护膜的要求是非常高的，用于光学元件的金刚石保护膜对于膜的要求同样是十分高的，为了保护光学元件，透明度一定要好，面积一定要大，膜的均匀性是关乎膜质量的关键因素，所以金刚石膜一定要均匀。

另一方面，用于光学仪器的金刚石膜分为两种厚度，一种平时成为金刚石窗口，厚度在600微米及以上，另一种是仅有几十微米的超薄膜。

光学元件上用的金刚石膜，在物理性质以及化学性质上与自然的金刚石单晶相差不大。

金刚石膜以及类金刚石膜的应用范围十分广泛，在一些光学材料表面都有使用，在一些高端的光学仪器上，类似于高端的天文望远镜等都已经装备上了金刚石膜或者类金刚石膜。

金刚石膜以及类金刚石膜的制作方法都是有沉积制作的，制作方法根据原理不同而分为化学制作法以及物理制作法。

国内外第四代金刚石半导体材料发展现状-回复「国内外第四代金刚石半导体材料发展现状」引言：金刚石是全球范围内最硬的材料之一，具有出色的热导性能和高能隙等特点，被广泛应用于高温、高压、高速等极端环境下的电子器件。

近年来，随着电子科技的不断进步，人们对于能耗低、速度快、稳定性高的半导体材料的需求不断提高，逐渐向第四代金刚石半导体材料转型。

本文将深入探讨国内外第四代金刚石半导体材料的发展现状，并分析其应用前景。

一、第四代金刚石半导体材料的定义和特点第四代金刚石半导体材料是指在金刚石基底上，通过改变纯度和掺杂方式，实现半导体材料的高效能性能提升。

相比于传统的硅基材料，第四代金刚石半导体材料具有以下特点：1. 高热导性：金刚石是全球热导率最高的材料，其热导率约为1400-2200 W/m·K，能够有效提高材料散热能力，降低电子器件的温度，增加设备的可靠性和寿命。

2. 高电导性：金刚石具有较高的电导率，可在高频率下实现更低的能耗和更高的功率输出，广泛应用于高功率、高频率电子器件领域。

3. 高能隙：金刚石的能隙大约为5.5 eV，较硅材料的能隙(约为1.1 eV)大幅增加，使其能够在高压、高温和辐射等极端环境下保持电子器件的稳定性。

4. 低电子缺陷密度：金刚石的晶体结构稳定，具有较低的晶格缺陷密度，可以减小电子器件中的载流子散射和损耗，提高电子器件的工作效率和性能。

二、国内第四代金刚石半导体材料的研究进展国内学者在第四代金刚石半导体材料的研究上取得了一系列重要进展。

首先，研究人员改善了金刚石的纯度和生长技术，实现了大尺寸、高纯度金刚石基底的制备。

其次，通过金刚石的不同掺杂方式，如硼(N型)和氮(P 型)掺杂，实现了金刚石材料的电导性控制。

目前，国内研究者已经成功制备出一系列掺杂金刚石膜材料，并对其电子器件性能进行了研究和评估。

此外，国内研究机构还致力于改善金刚石半导体材料的表面品质和平坦度，以提高器件性能和可靠性。

硬质合金基体金刚石薄膜摩擦学性能的探究硬质合金是以高硬度难熔金属的碳化物(WC、TiC等)微米级粉末,并通过Co 等较软金属为黏结剂烧结而成的一种合金,具有高韧性、高硬度、良好的热稳定性等优良特性,在耐磨和低粗糙度加工方面应用非常广泛,为制造刀具的理想材料。

传统硬质合金刀具在高速切削过程中,随着切削速度的加快,刀具温度随之升高,温度升高会导致硬质合金硬度降低,最终会影响加工零件的精度。

随着硬质难加工材料在精细加工领域越来越多的应用,如汽车、航空航天、集成电路板卡等,传统的硬质合金刀具已经很难满足加工的精度要求。

如何对刀具表面进行强化以提高其使用寿命并扩大其应用范围,成为一个亟待解决的问题。

CVD金刚石薄膜因具有天然金刚石的高硬度、低摩擦系数等优异的性能而被誉为21世纪最具发展前途的新型工具涂层材料,适用于高硅铝合金、金属基复合材料、工程陶瓷、纤维增强塑料等难加工材料的切削加工。

CVD金刚石薄膜材料的优势在于,可以在复杂形状的硬质合金基体上直接沉积以制造金刚石涂层刀具。

CVD金刚石薄膜作为理想的工具涂层和耐磨材料,还应用于内表面要求耐磨和低粗糙度的工具,如拉丝模、紧压模等,应用前景广泛。

基于以上优势,对硬质合金基体表面沉积的金刚石薄膜的摩擦磨损性能进行研究具有重要意义。

本文综述了近年来国内外对硬质合金基体金刚石薄膜摩擦学性能研究的进展,指出了硬质合金衬底表面金刚石涂层摩擦磨损研究的方向。

1 硬质合金基体CVD金刚石薄膜的摩擦机理CVD金刚石薄膜的摩擦学行为是众多因素共同作用和影响的结果。

由于在制备过程和测试过程中,存在很多不确定因素,如沉积参数、薄膜表面粗糙度、周围环境因素、实验温度和载荷等,因此,摩擦学机理一直没有统一的理论。

文献中指出,金刚石薄膜的摩擦学机理大体有3种情况：(1)薄膜的表面光滑度。

金刚石薄膜的摩擦磨损性能与金刚石的晶粒尺寸大小有关,当晶粒尺寸较大、表面较粗糙时,在滑动过程中容易在摩擦副表面产生犁沟磨损以及剪切滑移现象,使得其摩擦系数增大,加剧磨损。

类金刚石薄膜的载流摩擦学行为及其摩擦磨损机理的研究类金刚石薄膜的载流摩擦学行为及其摩擦磨损机理的研究摩擦学（tribology）是一门研究接触过程中摩擦、磨损、润滑等问题的学科。

类金刚石薄膜作为一种具有特殊性能的材料，其在载流环境下的摩擦学行为及其摩擦磨损机理一直备受关注。

类金刚石薄膜具有优异的硬度、低摩擦系数和高耐磨性等特点，广泛应用于各个领域，包括硬盘头部、摩擦件和切削工具等。

对于了解类金刚石薄膜在载流环境下的摩擦学行为以及其摩擦磨损机理，对于进一步提高其应用性能具有重要意义。

首先，我们来研究类金刚石薄膜在载流环境中的摩擦学行为。

载流环境可以改变材料的摩擦性能，因此需要对载流速度、温度和润滑剂等因素进行控制和研究。

通过摩擦学实验，可以获取摩擦系数随载流速度和温度的变化规律，并分析其内在机理。

实验结果表明，类金刚石薄膜在适当的载流速度和温度下，具有较低的摩擦系数和良好的润滑性能。

这与其表面形貌、化学成分以及微观结构有着密切关系。

其次，我们将研究类金刚石薄膜的摩擦磨损机理。

类金刚石薄膜的使用寿命和摩擦磨损机制直接相关。

通过对薄膜表面形貌、摩擦副界面的形成和磨损机制等进行研究，可以了解类金刚石薄膜的摩擦磨损过程。

实验结果表明，类金刚石薄膜在载流环境中的摩擦磨损主要包括磨粒磨损、表面氧化和界面剥离等。

这些机制的发生与载流速度、温度和载荷等因素有关。

最后，我们将探讨如何优化类金刚石薄膜的摩擦学性能。

基于对类金刚石薄膜摩擦学行为及其摩擦磨损机理的研究，可以采取相应的措施来提高其使用寿命和性能。

例如，通过表面处理，可以改善类金刚石薄膜的润滑性能；通过合理选择载流速度和温度，可以减小摩擦系数和磨损速率；通过添加适当的添加剂，可以增加薄膜的抗氧化性能。

这些措施可以进一步拓展类金刚石薄膜的应用范围和提高其实际效果。

综上所述，类金刚石薄膜的载流摩擦学行为及其摩擦磨损机理的研究对于了解该材料的摩擦学特性和提高其应用性能具有重要意义。