采用非平衡磁控濺射技術在不銹鋼及Sip(111)基體上制備了含氫無定形碳(a-C:H)薄膜，沉積的薄膜表面光滑，硬度高，內應力小，膜/基結合力好。利用球-盤摩擦實驗機對薄膜在不同真空度(1.0×105、5.0×10-2、1.0×10-2、5.0×10-3 Pa)下的摩擦學行為進行了研究，結果表明，隨著真空度的升高，薄膜的摩擦系數(shù)逐漸減小，磨損率逐漸增大。在5.0×10-3 Pa時，a-C:H膜的摩擦學行為發(fā)生突變，此時薄膜的摩擦系數(shù)為0.005，而耐磨壽命很短。高真空中，薄膜壽命的突變可能與薄膜脫氫而結構發(fā)生變化有關。
1、引言
載人航天工程、空間實驗室、星際探測器等空間高技術工業(yè)的發(fā)展，為我國經(jīng)濟建設、國家安全和科技發(fā)展做出了積極貢獻。空間環(huán)境的重要特點之一就是高真空，在此環(huán)境下，金屬表面的氧化膜在摩擦過程中很快被除去，潔凈金屬表面之間極易發(fā)生粘著，甚至冷焊，致使摩擦副不能相對運動，這對于空間運動部件來說是致命的。此外，常規(guī)的油脂潤滑劑在苛刻的真空環(huán)境下，易發(fā)生蒸發(fā)、分解或交聯(lián)而失效。所以，空間技術關鍵運動部件在真空環(huán)境中的潤滑失效已經(jīng)成為制約空間技術裝備壽命和可靠性的瓶頸，因此，發(fā)展適合于高真空的高可靠性、超長壽命的潤滑材料與技術具有重要意義。固體潤滑材料由于具有低的蒸發(fā)率、較寬的溫度區(qū)間、抗輻射、耐腐蝕等優(yōu)點，是理想的真空潤滑材料。含氫非晶碳膜(a-C:H)作為一種新型的固體潤滑薄膜，具有高硬度、低摩擦系數(shù)、高耐磨性、良好的化學穩(wěn)定性等，在空間高技術領域顯示了重要的應用前景和價值。
a-C:H膜是介于金剛石碳和石墨碳之間的一種非晶亞穩(wěn)態(tài)結構，由一定比例的sp3、sp2雜化碳原子組成，同時含有一定量的氫原子。因制備方法以及測試條件、環(huán)境氣氛等因素的不同，它的摩擦系數(shù)可在0.001～0.65范圍內變化。Donnet研究了a-C:H膜在大氣壓及不同真空條件下的摩擦學行為，結果表明，在不同的真空度下，a-C:H膜的摩擦磨損行為相差比較大，隨著真空度的升高，a-C:H膜的摩擦系數(shù)減小。
相關的研究者提出了表面鈍化懸鍵理論和摩擦化學理論來揭示真空度與a-C:H膜的摩擦系數(shù)之間的關系。高H含量的a-C:H膜表面的懸鍵大部分被H鈍化，在與對偶作用時產(chǎn)生較弱的范德華力，故在真空環(huán)境中表現(xiàn)出超低摩擦系數(shù);而大氣環(huán)境中，由于摩擦化學作用，導致材料表面氧化，增加了與對偶之間的相互作用，引起摩擦系數(shù)升高。作為空間潤滑材料，高真空中的耐磨壽命是a-C:H膜性能評價重要指標。在已有的研究中，研究者更著重摩擦系數(shù)方面的研究，而對其耐磨壽命的研究較少。已有結果表明，a-C:H膜在高真空條件下摩擦系數(shù)很低(0.001)，但其耐磨壽命很短。對于a-C:H膜在高真空條件下的摩擦與磨損行為的不一致性，國內外還沒有開展系統(tǒng)的研究，相關的機理解釋也很少。
本文采用中頻非平衡磁控濺射技術制備了a-C:H膜，研究了從大氣環(huán)境到不同真空(1.0×105、5.0×10-2、1.0×10-2、5.0×10-3Pa)條件下的薄膜的摩擦磨損行為，并探討了相關的作用機理。
2、實驗
2.1、薄膜制備
采用非平衡磁控濺射沉積設備，以高純石墨(純度為99.99%)作為靶材，以Ar和CH4作為濺射氣體，在AISI202不銹鋼片和p(111)單晶硅兩種基體材料上沉積a-C:H薄膜。基體經(jīng)丙酮超聲清洗20min，然后置于真空室中用高能Ar+離子轟擊樣品表面30min后，依次沉積Si界面層和Si-C梯度層來提高薄膜與基體的結合強度。a-C:H膜的沉積條件為Ar和CH4的流量比為1:1，沉積氣壓為5.3×10-1Pa，濺射電流12A，脈沖偏壓為-200V，占空比20%，沉積時間為3h，沉積的薄膜厚度為1.4μm。
摩擦過程中跑合階段，薄膜表面吸附的物質和結合較差的物質被除去，在滑動接觸界面上形成了轉移膜;在穩(wěn)定期，由于轉移膜的形成，膜保持著相對較低的摩擦系數(shù)。a-C:H膜中，H飽和了薄膜的表面懸鍵。常壓下，大氣中的水和O2吸附在薄膜表面，在摩擦過程中發(fā)生摩擦化學反應，破壞了薄膜表面的C—H鍵，增加了薄膜與對偶之間的相互作用，引起高的摩擦系數(shù)。隨著真空度的升高，環(huán)境氣氛中的分子逐漸減少，與薄膜表面的化學作用減弱，H起到了很好的鈍化表面懸鍵作用，使得薄膜的摩擦系數(shù)較低。當真空度升高到5.0×10-3Pa時，環(huán)境氣體分子少到幾乎不與薄膜表面作用，碳碳間的相互作用最弱，使得薄膜的摩擦系數(shù)最低。在摩擦過程中，表面微凸體相互作用，在很短的時間內(只有幾毫秒甚至更短)，表面的溫度能達到1000℃以上。高真空中，氣體分子數(shù)少，摩擦對偶的導熱性變差，熱傳導低，使得摩擦接觸點的溫度升高，導致薄膜脫氫，結構發(fā)生改變而被磨穿，之后摩擦對偶材料間發(fā)生粘著，使得摩擦系數(shù)忽然升高。
4、結論
(1)利用中頻非平衡磁控濺射技術制備了均勻、致密且表面粗糙度小的a-C:H膜，該薄膜由sp3、sp2雜化碳原子組成并含有一定量的C—H鍵，內應力為0.811GPa，硬度為9.31GPa。
(2)在1.0×10-2 Pa真空以下，a-C:H膜的摩擦系數(shù)變化不大，磨損率在10-7量級;在5.0×10-3Pa真空下，a-C:H膜摩擦學行為就已經(jīng)發(fā)生突變，摩擦系數(shù)為0.005，但薄膜很快被磨穿。
