氩气流量对非晶碳膜结构及力学和摩擦学性能的影响

冯兴国，周晖，张延帅，郑宇，张凯锋，汪科良，杨拉毛草，张宝荣，赵志勇，郑军，刘兴光，郑玉刚

（1.兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理国防科技重点实验室，兰州 730000；2.山西柴油机工业有限责任公司，山西 大同 037000）

类金刚石（DLC）薄膜是一种由sp3键和sp2键组成的亚稳态非晶碳膜，具有低摩擦系数、高硬度和耐磨损性能，已广泛应用于航天、航空、光学和生物医学等领域[1-3]。制备工艺参数和膜层结构是影响DLC 薄膜性能的主要因素。研究显示，碳离子能量为50～240 eV 时制备的DLC 薄膜具有相对较高的sp3键含量[4]，基体温度为150～200 ℃时，开始出现sp3键向sp2键的转化[5]，梯度层或软硬交替层结构的膜层，可有效降低薄膜应力、提升薄膜附着力[6]。

非晶碳膜的制备方法有：磁过滤阴极真空电弧（FCVA）[7]、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）[8]、脉冲激光沉积（PLD）[9]和离子束沉积（IBD）[10]等。以上方法制备的非晶碳薄膜已有大量的研究报道。而激光引弧阴极真空电弧沉积技术（PLICVA）是一种新技术，结合了PLD 与FCVA 的特点，具有靶材利用率高、弧斑位置可控、沉积速率高和膜层质量好等优点，特别适合在精密细小零部件表面制备DLC 薄膜。Wu J. B.等[11]研究了PLICVA 技术中电弧电流对DLC 薄膜微观结构与耐腐蚀性能的影响。研究结果表明，随着电弧电流的增加，薄膜中sp3键含量增加，硬度显著升高，耐腐蚀性能增强。张振宇等[12]采用PLICVA 技术制备了不同厚度的DLC 薄膜。研究显示，随着薄膜厚度的增加，磨损机制发生变化，从单一的磨粒磨损转变为复合的粘着磨损和磨粒磨损。蔡建等[13]采用FCVA 技术制备了四面体非晶碳膜（ta-C），研究了不同氩气流量（从2 mL/min 到10 mL/min）下制备的薄膜的碳键态结构和性能。结果表明，随着氩气流量的增加，薄膜内应力下降，而摩擦系数略有上升。Zhang 等[14]采用CVD 技术，以C6H6和Ar 为前驱气体制备了DLC 薄膜。结果表明，随着氩气流量的增加，DLC 薄膜的硬度和应力降低。虽然采用PLICVA 技术制备DLC 薄膜的论文相对较少，但是PLICVA 技术是采用激光引弧，可以不通入任何气体进行非晶碳膜制备，能系统研究不通气体和不同流量氩气对薄膜结构、力学及摩擦学性能的影响，可为PLICVA 技术制备的非晶碳膜的工业化应用奠定实验基础。

1 实验

1.1 材料及制备

选用单晶Si（100）和9Cr18 不锈钢作为基材，后者的成分（以质量分数计）为：0.90%～1.00% C，17.00%～19.00% Cr，≤0.80% Si，≤0.030% S，≤0.035%P，其余为Fe。首先将9Cr18 不锈钢加工成尺寸为φ35 mm×5 mm 的试块后，进行预磨和抛光处理，直至表面粗糙度Ra≤0.2 μm，然后依次经乙醇、丙酮和超声波分别清洗5 min。

采用自主研制的激光引弧磁过滤真空阴极电弧沉积设备制备非晶碳膜，如图1 所示。左侧安装的是磁过滤金属电弧Ti 靶，右侧安装的是激光引弧石墨电弧靶。激光引弧石墨靶的工作原理是，真空室外部的激光发射器产生激光，在光学透镜和反光镜的调控下，聚焦到真空室内石墨靶表面，引燃石墨靶，依靠预先充电的电容组给碳等离子体提供能量。当抽真空至3×10–3Pa 后，采用阳极层离子源对试样进行氩离子刻蚀清洗。清洗工艺参数为：清洗时间15 min，离子源电流150 mA，基体施加的偏压–350 V。等离子体清洗后，依次在基底表面沉积Ti 过渡层和非晶碳薄膜。沉积Ti 的参数为：Ti 靶电流100 A，基底偏压–70 V，沉积时间10 min。沉积非晶碳薄膜的参数为：激光器能量220 mJ，电容充电电压250 V，频率60 Hz，基体偏压0 V。通过调控氩气流量（0、20、40、60、80 mL/min），制备不同结构的非晶碳薄膜。

图1 激光引弧磁过滤真空阴极电弧沉积设备Fig.1 Schematic diagram of laser induced high current pulsed arc system

1.2 结构表征与力学性能测试

采用HORIBA 公司生产的LabRam HR Evolution拉曼光谱仪对薄膜的G 峰和D 峰进行分析，激发波长为532 nm，光谱范围为1000 cm–1到2200 cm–1。采用X 射线光电子能谱仪（XPS，PHI5000 Versa 型）对C 元素的电子结合能及不同C 含量进行分析，首先通过Ag 3d5/2的标准峰校准设备，然后样品表面经Ar+离子溅射6 min 后，采集C 1s 的精细谱。薄膜表面的粗糙度采用Asylum Research 型原子力显微镜（AFM）进行测试。硬度和弹性模量采用CSM NHT S/N060146 型纳米压痕仪进行测试，最大加载力为10 mN，每个试样测试12 个点，取其平均值。采用Anton Paar 型纳米划痕仪测试薄膜的附着力，每个试样测试3 条划痕，取其最小值，作为测试薄膜的附着力。非晶碳膜的摩擦学实验在Anton Paar 生产的大气球-盘摩擦试验机上进行，摩擦条件是大气环境下的干摩擦，对磨件是φ8 mm 的9Cr18 钢球，载荷为5 N，摩擦直径为24 mm，转速为500 r/min，摩擦距离约为1800 m。采用表面轮廓仪（Taylor Hobson 型）测试薄膜的磨痕断面和磨痕3D 形貌，采用公式(1)计算磨损率。

式中：D为磨痕轨道直径，mm；A为磨痕截面面积，μm2；d为摩擦距离，m；p为加载载荷，N。

2 结果与讨论

2.1 碳膜的化学组成及结构

图2 为不同氩气流量条件下制备碳膜的拉曼光谱，采用高斯拟合对谱图进行双峰拟合，薄膜内层片sp2团簇结构（大单晶石墨）的相应峰位在1575 cm–1处，对应于G 峰，微晶石墨相关的峰（无序细小的石墨结构）出现在1320 cm–1处，对应于D 峰[15-16]。D 峰和G 峰的位置和强度可定性判断薄膜中sp2杂化键和sp3杂化键的相对含量。本文选择常用的峰面积比（ID/IG）进行分析，ID/IG值越小，表明薄膜中sp3杂化键含量越多[17]。表1 是不同氩气流量下制备的碳膜拉曼光谱高斯分解结果，发现G 峰半高宽随着氩气流量的增大而减小。H. Nakazawa[18]、S. Prawer[19]和J. Robertson[20]等大量学者研究认为，随着G 峰半高宽的增大，sp3键含量增多。从表1 可知，随着氩气流量的增大，ID/IG值也增大，表明薄膜中sp3杂化键含量减小。当氩气流量为0 mL/min 时，ID/IG值最小，表明此时 s p3键含量最多；当氩气流量为80 mL/min 时，ID/IG值最大，表明此时sp3键含量最小。G 峰半高宽和ID/IG值的变化趋势均表明，sp3键含量随着氩气流量的增加而减少。

图2 不同氩气流量下制备的碳膜拉曼光谱及分解结果Fig.2 Raman spectra of films with various argon flows

表1 不同氩气流量下制备的碳膜拉曼光谱高斯分解结果Tab.1 The G position, FWHM and ID/IG of the films with various argon flows

根据Lifshitz[21]和Robertson[22]提出的亚表层注入模型，当碳离子能量较大时，离子能够穿透晶格空隙的表面层，并停留在亚表层形成间隙原子，使膜发生形变，导致膜层内的压应力增加，最终会使膜内的原子团稳定形成sp3杂化相。随着氩气流量的增大，阴极石墨靶射出的碳离子与Ar 原子的碰撞概率增大，碳离子的能量会通过碰撞转移到氩原子上，导致碳离子到达基底时的能量降低。随着碳离子能量的降低，可以注入亚表层形成间隙原子的碳离子将减少，导致薄膜内的压应力降低，压应力降低不利于sp3杂化相的形成，因此薄膜的sp3键含量会随着氩气流量的增大而逐渐降低。

图3 是氩气流量为20、80 mL/min 时所制备的非晶碳膜的C 1s 精细谱。C 1s 谱可拟合为3 个峰，结合能为(284.5±0.2) eV 的峰对应C==C（sp2）键，结合能为(285.3±0.2) eV 的峰对应C—C（sp3）键，结合能为(286.5±0.2) eV 的峰对应C—O 键[23-24]。根据C==C、C—C 和C—O 键的峰面积大小，可以定量判断sp3键含量。表2 是不同氩气流量下制备的薄膜的sp3键含量。从表2 可知，sp3键的含量随着氩气流量的增大而减小。当不通氩气时，sp3键的原子数分数最高，为55.1%，随着氩气流量的增大，sp3键含量不断减小；当氩气流量为80 mL/min 时，sp3键的原子数分数达到最小，为31.0%。

图3 不同氩气流量下碳膜的C 1s 拟合谱Fig.3 C 1s fitting spectra of carbon film under different argon gas flow

表2 不同氩气流量条件下制备的碳膜sp3 键含量Tab.2 The concentration of different films by XPS C 1s spectra

氩气流量为20、80 mL/min 时所制备薄膜的AFM形貌如图4 所示。从图4 中可以看出，氩气流量为20 mL/min 的薄膜相较80 mL/min 的薄膜，表面更为光滑，颗粒相对较少。氩气流量为0、20、40、60、80 mL/min 时所制备的薄膜的表面粗糙度Ra分别为16.0、13.5、11.6、10.9、15.5 nm，氩气流量与薄膜表面粗糙度无明显联系。原因是表面粗糙度主要受离子能量的影响，离子能量过高或过低，都会导致薄膜表面粗糙度增大。

图4 不同氩气流量下薄膜的AFM 形貌Fig.4 AFM morphology of thin films under different argon gas flow rates

2.2 碳膜的硬度及结合力

图5 为薄膜的硬度和弹性模量随氩气流量的变化曲线。从图5 中可以看出，薄膜的硬度和弹性模量均随着氩气流量的增大而逐渐降低。当氩气流量为0 mL/min（不通气体）时，薄膜硬度和弹性模量最大，其值分别为46.4 GPa 和380.5 GPa。当氩气流量增大至80 mL/min 时，薄膜硬度和弹性模量分别降低至8.2 GPa 和96.0 GPa。这可能是两方面因素造成的，主要原因是，碳膜的硬度和弹性模量受薄膜内部sp3键含量的影响，sp3键含量越多，薄膜硬度和弹性模量越大；次要原因是，碳膜厚度对硬度和弹性模量的影响。随着氩气流量的增加，碳膜厚度从 835 nm（0 mL/min）降低至743 nm（80 mL/min），最大压入深度由81 nm（0 mL/min）增大至122 nm（80 mL/min），压入深度大于膜厚的10%，存在一定的基体效应。

图5 薄膜的硬度和弹性模量随氩气流量的变化曲线Fig.5 Variation curve of film hardness and elastic modulus with argon flow

图6 是附着力随氩气流量的变化曲线。本文将膜层完全剥离点的临界载荷（LC）作为膜基附着力，如光学显微照片（图6 插图）所示。氩气流量为0 mL/min（不通入氩气）时所制备的薄膜的附着力为614 mN。当氩气流量增加至20 mL/min 时，膜基附着力降低到420 mN。继续增加氩气流量，薄膜的附着力逐渐增大，当氩气流量为80 mL/min 时，附着力达到最大值为673 mN。由图6 可知，除氩气流量为20 mL/min时所制备的薄膜附着力低于500 mN，其他条件下制备的薄膜附着力均大于500 mN，表现出良好的膜基结合力。分析原因是，碳离子能量较高时（不通气体），可以穿透基体表面原子层，与基底形成一个混合界面层，从而提高膜基结合力；而当通入氩气后，由于碳离子与氩原子碰撞使能量降低，所以无法穿透基体表面形成混合界面层，导致薄膜的膜基结合力降低。但随着氩气流量继续增加，薄膜的sp3键含量和厚度显著降低，进而使薄膜内应力降低，较低的内应力有助于提升膜基结合力[25]。

图6 膜基附着力随氩气流量的变化曲线Fig.6 Adhesive force as a function of argon flow

2.3 碳膜的摩擦学性能

图7 为不同氩气流量条件下制备的非晶碳膜的摩擦系数随滑行距离的变化曲线。由图7 可知，在初始阶段，摩擦系数较大，这可能是由于薄膜表面尚未形成转移膜造成的。随着滑行距离的增加，在摩擦副表面形成了石墨相的润滑层，起到了摩擦自润滑作用，使摩擦系数趋于平缓，达到稳定值[26]。薄膜的摩擦系数受薄膜表面粗糙度的影响，氩气流量对薄膜的表面粗糙度无明显影响，不同氩气流量下制备的碳膜的摩擦系数为0.1～0.2。

图7 不同氩气流量下制备的碳膜的摩擦系数随滑动距离的变化曲线Fig.7 The friction coefficient of the films with various argon flows

图8 为不同氩气流量条件下制备的碳膜的磨损率和H3/E2（硬度和弹性模量的比值）随氩气流量的变化曲线。从图8 可以看出，薄膜的磨损率随着氩气流量的增加而增大，氩气流量为0 mL/min 时，碳膜的磨损率最低，其值为3.8×10–17m3/(m·N)；当氩气流量为80 mL/min 时，薄膜的磨损率最大，其值为1.1×10–16m3/(m·N)，相较未通氩气（0 mL/min）所制备的碳膜，氩气流量为80 mL/min 时所制备的碳膜的磨损率升高了1 个数量级。H3/E2可间接体现薄膜的抗塑性变形能力，相关研究证实，H3/E2值越大，其抗塑性变形能力越强，相对具有较好的耐磨性能[27]。通过图8 可看出，薄膜的H3/E2值随着氩气流量的增大而降低，当氩气流量为0 mL/min 时，H3/E2值为0.67；继续增大氩气流量，H3/E2值逐渐减小；当氩气流量为80 mL/min 时，H3/E2值最小，为0.06，此时，薄膜的耐磨损性能变差，这和磨损率的分析结果相一致。此外，随着氩气流量的增加，薄膜的硬度和厚度显著下降，导致其抗塑性变形能力降低，耐磨性能变差。

图8 磨损率和H3/E2 随氩气流量变化曲线Fig.8 The wear rate and H3/E2as a function of the argon flow

图9 是氩气流量为20、80 mL/min 时所制备的非晶碳膜的磨痕形貌，相较氩气流量为80 mL/min 时所制备的碳膜，氩气流量为20 mL/min 时所制备的碳膜的磨痕宽度较小，磨痕深度较浅，这和磨损率分析结果相一致。氩气流量为20 mL/min 时所制备的薄膜相较氩气流量为80 mL/min 时所制备的薄膜具有更优的耐磨损性能，原因是sp3杂化键的含量是影响耐磨性能的主要因素，sp3杂化键含量越高，耐磨性能越好。从图9 也可看出，氩气流量为20、80 mL/min 时所制备的薄膜的磨痕表面均存在显著的犁沟现象，属于典型的磨粒磨损。

图9 不同氩气流量下薄膜的磨痕形貌Fig.9 Wear scar morphology of thin film under different argon gas flow

3 结论

1）氩气流量对激光引弧阴极真空电弧沉积技术制备的非晶碳膜中sp3杂化键含量具有显著影响，随着氩气流量的增加，sp3杂化键含量逐渐降低。氩气流量为0 mL/min 时所制备的薄膜的sp3杂化键的原子数分数最大，为55.1%；当氩气流量为80 mL/min 时，sp3键的原子数分数最小，其值为31.0%。

2）薄膜的硬度和弹性模量随着氩气流量的增加而降低，当氩气流量为0 mL/min 时，薄膜的硬度和弹性模量最大，其值分别为46.4 GPa 和380.5 GPa；当氩气流量为80 mL/min 时，薄膜的硬度和弹性模量均降低至最小值，分别为8.2 GPa 和96.0 GPa。

3）不同氩气流量制备的薄膜的摩擦系数为0.1～0.2，氩气流量对摩擦系数的影响不大。薄膜的磨损率随着氩气流量的增加而增大，氩气流量为0 mL/min 时所制备的薄膜的磨损率最小，其值为3.8×10–17m3/(m·N)，相较氩气流量为80 mL/min 时所制备的薄膜的磨损率（1.1×10–16m3/(m·N)）降低了1 个数量级，具有优异的耐摩擦磨损性能。