金剛石薄膜摩擦學性能研究進展

2010-02-22 靳慧智鄭州大學物理工程學院材料物理教育部重點實驗室

　　化學氣相沉積的金剛石薄膜通常是一種表面粗糙的多晶薄膜，其摩擦系數相對于單晶金剛石明顯偏高，制約著其在摩擦學領域的應用。本文介紹了近年來國內外學者為提高金剛石薄膜摩擦學性能而進行的探索研究及其發展現狀。簡要分析了影響金剛石薄膜摩擦學性能的主要因素，并提出金剛石薄膜應用于摩擦學領域需要重視解決的幾個問題。

　　金剛石薄膜具有極高的硬度和熱導率，較低的摩擦系數和熱膨脹系數，較高的耐磨性，良好的化學穩定性，是一種優異的表面抗磨損改性膜，是十分理想的刀具涂層材料。金剛石的耐磨性和研磨能力超過已知的所有磨削材料，它的磨性比硬質合金高50~200 倍，比碳化硅高3000~3500 倍，比淬火工具鋼高2000~5000 倍。作為一種超硬薄膜，其在工具、刀具等磨削拋光領域的應用研究越來越引起人們的重視。

　　化學氣相沉積的金剛石薄膜通常是一種表面粗糙的多晶薄膜，膜表面晶粒取向、晶粒尺寸以及厚度都不均勻，所以表面粗糙度比較高，一般達幾個微米，嚴重影響了金剛石膜在摩擦學領域的應用。金剛石薄膜表面粗糙度也是導致金剛石膜早期剝落、開裂的主要原因之一。減小金剛石晶粒尺寸以及對金剛石薄膜表面進行拋光，降低其表面粗糙度，將有效改善刀具- 工件間的摩擦狀況，延長刀具壽命。

　　近年來，為了提高金剛石薄膜的摩擦學性能，降低金剛石薄膜的摩擦系數，科研工作者展開了大量的研究，研究工作主要集中在金剛石薄膜表面拋光、納米金剛石薄膜、金剛石薄膜表面減摩涂層等方面。

1、金剛石薄膜摩擦學性能研究進展

1.1、金剛石薄膜表面拋光

　　在非金剛石襯底上生成的金剛石薄膜在多數情況下不能直接使用，必須進行后續加工。對金剛石薄膜表面進行拋光是獲得光滑金剛石薄膜表面的一種重要途徑。雖然從80 年代開始人們就已經探索了許多物理或化學方法用于拋光金剛石薄膜，但直到90 年代初，對金剛石薄膜拋光技術的研究才引起普遍重視。

　　到目前為止，拋光金剛石薄膜的方法主要有：機械拋光法、化學- 機械拋光法、熱化學拋光法、電化學拋光法、激光拋光法、等離子體/ 離子束拋光法等。其中前四種拋光方法為接觸性拋光方法，后兩種拋光方法則為非接觸性拋光方法。機械拋光方法最初是采用金剛石粉對材料表面進行研磨，根據所要達到的拋光效果，可以選擇不同尺寸的金剛石粉。后來使用金剛石砂輪、光滑的金剛石或其他超硬研磨材料，采用傳統的研磨或磨削方法，對金剛石膜表面進行拋光。對于較小尺寸的金剛石膜，還可以采用“膜對膜”的拋光方法，機械拋光可使粗糙度達到0. 02 μm 左右，但加工后的微觀表面質量不好，易產生微裂紋，尤其是在研磨與基體附著力不好或厚度較薄的金剛石膜時，機械拋光固有的沖擊和振動容易造成薄膜的損傷和破壞；化學- 機械拋光方法是在機械拋光基礎上充入以KNO3、KOH 為主要成份的含氧化性物質，金剛石膜在機械研磨和氧化腐蝕的共同作用下被拋光。該方法無需將金剛石膜加熱到高溫，但拋光效率仍然偏低，在此之前必須進行一次預拋光方能取得較好效果。熱化學拋光方法可以一次加工多個金剛石膜樣品，但加工溫度通常很高，用于化學融蝕的金屬會過分液化，對膜的邊緣產生過蝕”現象，而且由于配合使用了金屬表面及兩界面摩擦生熱，從而造成表面不均勻性，以及類金剛石成分層和晶界上金屬殘留物污染，影響拋光效果；美國專利提到了一種電化學拋光方法，即在相互接觸的金剛石表面與陶瓷導體（如Y2O3:ZrO2）之間加上電壓，利用其產生的電化學反應來拋光金剛石膜。激光拋光和等離子體/離子束拋光均為高能、非接觸式拋光方法，利用高能脈沖激光、某些氣體物質的離子束或等離子體對金剛石具有較強刻蝕能力這一特點對其表面進行拋光。

　　激光拋光和離子束拋光是目前綜合性能相對較好的金剛石膜拋光方法，尤其用于粗拋光后的精拋光時效率較高，均可用于拋光復雜型面，雖然小面積激光掃描加工可達到很高的表面質量，可進行納米級加工處理，但會形成石墨或類金剛石碳層，使金剛石膜表面發生某些變性；另外，離子束的不均勻也會造成薄膜表面粗糙度的不均勻；等離子拋光方法在均勻性方面也有待提高，并且易在表面晶界上形成殘留物污染。

　　總之，各種拋光方法均有其各自的優缺點，在使用時只能是多種方法的相互結合。接觸性拋光方法簡單，但很難用于非平面表面拋光，效率較低，而且容易導致拋光污染，其大面積的工業化應用受到限制；非接觸性拋光技術可用于非平面表面拋光，但多數情況下要求真空條件，設備較為昂貴，而且加工均勻性及工藝性尚待進一步提高。上述的拋光方法都存在著一條或多條缺點，盡管都能對金剛石薄膜進行拋光，但拋光能力是有限的。迄今為止，全世界的科學家們似乎還未找到一個真正有效的拋光方法，高速率、低成本、無污染的拋光方法是目前該領域的主要研究方向。

　　雖然表面拋光可以減小表面粗糙度，但金剛石膜硬度高、厚度薄、整體強度低，因此拋光效率低，且膜極易破裂及損傷。綜上所述，拋光方法是為降低表面粗糙度而對已沉積金剛石薄膜進行的一種后加工，該種方法具有很多局限性。為了克服這種局限性，還可以通過改進薄膜的制備技術，即通過控制襯底預處理工藝和沉積參數，促進金剛石晶粒的擇優取向，減小金剛石膜晶粒尺寸，制備納米級尺寸的金剛石薄膜將成為減小其表面粗糙度非常有效的方法。