中国科学院材料磨损与防护重点实验室/先进润滑与防护材料研究发展中心知识库

    不同组分、结构的类金刚石（diamond-likecarbon，简称DLC）薄膜在不同摩擦环境中的摩擦系数呈跨数量级差异。影响DLC薄膜摩擦行为的因素主要包括两个方面：薄膜本征性能（元素、结构）和外界环境（气氛）。本文考察了氢元素、类富勒烯结构和多种气氛环境对DLC薄膜摩擦行为的影响，探讨了无/含氢DLC薄膜在高真空、惰性气氛、活性气氛中的摩擦机理，取得以下主要研究结果：

    （1）采用高频脉冲等离子体增强化学气相沉积，通过调节沉积参数，对含氢DLC薄膜微结构进行有效调控。结果表明，当沉积偏压逐渐增大时（-800~-1050 V），薄膜微观结构发生“非晶-类富勒烯-非晶”的演变。

    （2）基于负偏压对薄膜结构的影响，在含氢DLC薄膜中主动设计类富勒烯（FL）微结构，获得了在高真空具有长磨损寿命（1.8×10⁵次循环）的类富勒烯碳氢（FL-C:H）薄膜。通过考察薄膜稳态摩擦过程中的界面结构，建立了FL-C:H薄膜界面石墨化相变与磨损寿命之间的联系。与非晶碳氢薄膜相比，FL结构在剪切应力下破裂，为纳米石墨晶提供成核中心，形成纳米石墨晶/非晶结构摩擦膜。

    （3）考察了无/含氢DLC薄膜在不同相对湿度下的摩擦行为，探讨了吸附水分子对无/含氢DLC摩擦行为的影响机制。低湿度（<<50%）下，摩擦系数的主导因素为固-固接触，无氢DLC需克服较大的界面结合能（-103.37 kJ/mol~-320 kJ/mol），摩擦系数较高（0.19）；含氢DLC对应较小的界面结合能（-3.04 kJ/mol~-6.32 kJ/mol），摩擦系数较低（0.06）。高湿度（相对湿度>>50%）下，无/含氢DLC表面所吸附水分子之间的氢键是影响摩擦系数的主导因素，无/含薄膜需克服的界面结合能均为约-47.31 kJ/mol，两者摩擦系数十分接近（~0.15）。

    （4）研究了不同气氛下吸附分子对含氢DLC薄膜摩擦行为的影响规律。当分子吸附在摩擦界面形成较低的界面结合能时，摩擦系数较低；相反，则摩擦系数较高。通过含氢DLC薄膜自配副在干燥氮气下的超滑结果（摩擦系数0.009）进行了实验验证。