金刚石薄膜摩擦学性能研究进展

2010-02-22 靳慧智郑州大学物理工程学院材料物理教育部重点实验室

　　化学气相沉积的金刚石薄膜通常是一种表面粗糙的多晶薄膜，其摩擦系数相对于单晶金刚石明显偏高，制约着其在摩擦学领域的应用。本文介绍了近年来国内外学者为提高金刚石薄膜摩擦学性能而进行的探索研究及其发展现状。简要分析了影响金刚石薄膜摩擦学性能的主要因素，并提出金刚石薄膜应用于摩擦学领域需要重视解决的几个问题。

　　金刚石薄膜具有极高的硬度和热导率，较低的摩擦系数和热膨胀系数，较高的耐磨性，良好的化学稳定性，是一种优异的表面抗磨损改性膜，是十分理想的刀具涂层材料。金刚石的耐磨性和研磨能力超过已知的所有磨削材料，它的磨性比硬质合金高50~200 倍，比碳化硅高3000~3500 倍，比淬火工具钢高2000~5000 倍。作为一种超硬薄膜，其在工具、刀具等磨削抛光领域的应用研究越来越引起人们的重视。

　　化学气相沉积的金刚石薄膜通常是一种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匀，所以表面粗糙度比较高，一般达几个微米，严重影响了金刚石膜在摩擦学领域的应用。金刚石薄膜表面粗糙度也是导致金刚石膜早期剥落、开裂的主要原因之一。减小金刚石晶粒尺寸以及对金刚石薄膜表面进行抛光，降低其表面粗糙度，将有效改善刀具- 工件间的摩擦状况，延长刀具寿命。

　　近年来，为了提高金刚石薄膜的摩擦学性能，降低金刚石薄膜的摩擦系数，科研工作者展开了大量的研究，研究工作主要集中在金刚石薄膜表面抛光、纳米金刚石薄膜、金刚石薄膜表面减摩涂层等方面。

1、金刚石薄膜摩擦学性能研究进展

1.1、金刚石薄膜表面抛光

　　在非金刚石衬底上生成的金刚石薄膜在多数情况下不能直接使用，必须进行后续加工。对金刚石薄膜表面进行抛光是获得光滑金刚石薄膜表面的一种重要途径。虽然从80 年代开始人们就已经探索了许多物理或化学方法用于抛光金刚石薄膜，但直到90 年代初，对金刚石薄膜抛光技术的研究才引起普遍重视。

　　到目前为止，抛光金刚石薄膜的方法主要有：机械抛光法、化学- 机械抛光法、热化学抛光法、电化学抛光法、激光抛光法、等离子体/ 离子束抛光法等。其中前四种抛光方法为接触性抛光方法，后两种抛光方法则为非接触性抛光方法。机械抛光方法最初是采用金刚石粉对材料表面进行研磨，根据所要达到的抛光效果，可以选择不同尺寸的金刚石粉。后来使用金刚石砂轮、光滑的金刚石或其他超硬研磨材料，采用传统的研磨或磨削方法，对金刚石膜表面进行抛光。对于较小尺寸的金刚石膜，还可以采用“膜对膜”的抛光方法，机械抛光可使粗糙度达到0. 02 μm 左右，但加工后的微观表面质量不好，易产生微裂纹，尤其是在研磨与基体附着力不好或厚度较薄的金刚石膜时，机械抛光固有的冲击和振动容易造成薄膜的损伤和破坏；化学- 机械抛光方法是在机械抛光基础上充入以KNO3、KOH 为主要成份的含氧化性物质，金刚石膜在机械研磨和氧化腐蚀的共同作用下被抛光。该方法无需将金刚石膜加热到高温，但抛光效率仍然偏低，在此之前必须进行一次预抛光方能取得较好效果。热化学抛光方法可以一次加工多个金刚石膜样品，但加工温度通常很高，用于化学融蚀的金属会过分液化，对膜的边缘产生过蚀”现象，而且由于配合使用了金属表面及两界面摩擦生热，从而造成表面不均匀性，以及类金刚石成分层和晶界上金属残留物污染，影响抛光效果；美国专利提到了一种电化学抛光方法，即在相互接触的金刚石表面与陶瓷导体（如Y2O3:ZrO2）之间加上电压，利用其产生的电化学反应来抛光金刚石膜。激光抛光和等离子体/离子束抛光均为高能、非接触式抛光方法，利用高能脉冲激光、某些气体物质的离子束或等离子体对金刚石具有较强刻蚀能力这一特点对其表面进行抛光。

　　激光抛光和离子束抛光是目前综合性能相对较好的金刚石膜抛光方法，尤其用于粗抛光后的精抛光时效率较高，均可用于抛光复杂型面，虽然小面积激光扫描加工可达到很高的表面质量，可进行纳米级加工处理，但会形成石墨或类金刚石碳层，使金刚石膜表面发生某些变性；另外，离子束的不均匀也会造成薄膜表面粗糙度的不均匀；等离子抛光方法在均匀性方面也有待提高，并且易在表面晶界上形成残留物污染。

　　总之，各种抛光方法均有其各自的优缺点，在使用时只能是多种方法的相互结合。接触性抛光方法简单，但很难用于非平面表面抛光，效率较低，而且容易导致抛光污染，其大面积的工业化应用受到限制；非接触性抛光技术可用于非平面表面抛光，但多数情况下要求真空条件，设备较为昂贵，而且加工均匀性及工艺性尚待进一步提高。上述的抛光方法都存在着一条或多条缺点，尽管都能对金刚石薄膜进行抛光，但抛光能力是有限的。迄今为止，全世界的科学家们似乎还未找到一个真正有效的抛光方法，高速率、低成本、无污染的抛光方法是目前该领域的主要研究方向。

　　虽然表面抛光可以减小表面粗糙度，但金刚石膜硬度高、厚度薄、整体强度低，因此抛光效率低，且膜极易破裂及损伤。综上所述，抛光方法是为降低表面粗糙度而对已沉积金刚石薄膜进行的一种后加工，该种方法具有很多局限性。为了克服这种局限性，还可以通过改进薄膜的制备技术，即通过控制衬底预处理工艺和沉积参数，促进金刚石晶粒的择优取向，减小金刚石膜晶粒尺寸，制备纳米级尺寸的金刚石薄膜将成为减小其表面粗糙度非常有效的方法。