固体润滑国家重点实验室（LSL）知识库

    非晶碳基薄膜具有优异的物理、化学、力学和摩擦学性能，已经广泛用于机械、电子和光学等领域作为摩擦学涂层。它们灵活的结构和化学为发展性能优异的新型摩擦学材料提供了广阔空间。元素掺杂作为修饰非晶碳基薄膜结构与性能的有效途径，对发展新型碳基摩擦学材料具有重要意义。鉴于目前对氟和硫掺杂非晶碳基薄膜摩擦学行为缺乏基本的认识和理解，本论文以与对偶材料具有明显化学活性的F和S元素为对象，通过PECVD方法制备了F、S掺杂的非晶碳基薄膜，详细研究了它们的摩擦学行为机理，讨论了F和S元素在发展非晶碳基摩擦学涂层中的意义。具体研究内容和结果如下：

    1.为了清楚地认识氟化非晶碳基（a-C:H:F）薄膜的摩擦学行为，理解F掺杂对非晶碳基薄膜摩擦学行为和性能的影响，我们系统评价了a-C:H:F薄膜与不同配副材料的滑动摩擦学行为，从摩擦化学的角度理解F掺杂对非晶碳基薄膜摩擦行为和机理的影响。对与碳具有强粘着的配副材料WC、Ti和Si₃N₄，相对低的F含量并未显著影响薄膜摩擦磨损性能；对与碳具有弱粘着的配副材料GCr15、Al₂O₃和ZrO₂，F掺杂导致薄膜摩擦系数明显增加；当滑动接触Cu对偶时，F含量的增加导致摩擦系数明显波动。高活性F原子与对偶材料的摩擦化学作用合理地解释了不同体系的摩擦学行为。

    2.为了进一步探究氟化非晶碳基薄膜在Al合金干加工制造中的潜在应用价值，详细考察了a-C:H:F/Al体系的摩擦行为和机理。结果表明：a-C:H:F薄膜与Al对偶的摩擦系数减小严格依赖于薄膜F含量和测试环境。少量F原子（<6 at.%）能降低体系摩擦系数，而高F含量（>10 at.%）显著增加了体系摩擦系数。Al对偶表面的氟化摩擦层降低了低F含量薄膜的粘着与摩擦，而随着F与Al的摩擦化学作用增强，高F含量薄膜导致氟化摩擦层碎裂和脱落，进而摩擦系数显著增加。

    3.考虑到S元素在摩擦学研究中特殊的意义，研究含S非晶碳基（a-C:S:H）薄膜的基本摩擦学行为对于发展碳基摩擦学涂层具有重要意义。我们利用SF₆合成a-C:S:H薄膜，考察了a-C:S:H薄膜与不同配副材料的摩擦学行为。发现较低硬度a-C:S:H薄膜具有优异的摩擦学性能，尤其是在滑动接触GCr15和WC对偶时，低硬度a-C:S:H薄膜比高硬度a-C:H薄膜具有更加优异的摩擦学性能。然而对Si₃N₄、Al和Cu对偶，S掺杂导致薄膜摩擦系数明显增加。表面钝化、碳基转移层形成以及S与对偶的摩擦化学作用单独或协同地支配着相应的摩擦行为。

    4.考虑到S与W的特殊摩擦化学反应，对a-C:S:H薄膜与WC对偶的摩擦学行为和机理做了进一步研究。结果显示：S含量约为8at.%的a-C:S:H薄膜具有明显优于a-C:H薄膜摩擦磨损性能，而且摩擦学行为对载荷具有更低的敏感性。S原子的钝化作用以及摩擦诱导的WS2形成是a-C:S:H薄膜实现优异摩擦学性能的关键。由于WS2的形成，S掺杂也显著改进了非晶碳基薄膜与WC对偶在高真空环境中的摩擦学性能。

    5.高真空环境摩擦学应用是非晶碳基薄膜发展所面临的严峻挑战之一，基于钝化理论，我们探究了F、S共掺杂非晶碳基（a-C:S:F）薄膜的高真空摩擦学行为。发现高F、S含量的a-C:S:F薄膜具有极低H含量，提供了一个由F、S共钝化的碳基网络结构，当滑动接触多种配副材料时，薄膜在高真空环境中实现了极低摩擦系数，这为发展非晶碳基薄膜的高真空摩擦学应用提供了新的思路。摩擦机制分析表明，F和S的钝化作用以及对偶表面氟化摩擦层的形成是一些与碳具有强碳粘着的对偶材料实现极低摩擦的内在机制。