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Ti掺杂四面体非晶碳薄膜微结构调控及其摩擦学性能研究

ta-C薄膜；Ti金属掺杂；微观结构；机械性能；摩擦性能

四面体非晶碳（ta-C）薄膜是一种性能十分接近金刚石的类金刚石薄膜，具有极高的硬度和弹性模量、摩擦系数低、耐磨能力强等优势，在对减摩抗磨性能要求较高的领域得到广泛应用，如汽车制造、轴承制造、刀具涂层、微电子等。然而ta-C薄膜也存在残余应力较高、膜基结合强度低和抗冲击韧性不足等缺陷，限制了其在各类领域的应用。

金属元素掺杂改性是一种能有效改善碳基薄膜综合性能的方法。本文利用磁过滤电弧离子镀技术沉积ta-C薄膜，并采用直流磁控溅射技术将强碳化物形成元素Ti添加进ta-C薄膜中进行掺杂改性，通过调节Ti靶材上的磁控电流来控制Ti元素含量，从而获得Ti含量不同的ta-C薄膜样品。对掺杂后的薄膜进行Raman、XPS、SEM、TEM分析以及薄膜残余应力、硬度、摩擦磨损的测试，研究Ti的掺杂对ta-C薄膜微观结构和性能的影响规律，得到如下主要结论：

随Ti靶功率从0 A增加至2 A，薄膜中Ti掺杂含量由0 at. %增加至19.9 at. %。ta-C及Ti掺杂ta-C薄膜结构均致密，纯ta-C薄膜为无序排列的玻璃态非晶结构；少量Ti掺杂，薄膜维持非晶结构，Ti元素主要以固溶的形式嵌入非晶碳基质网格内或是空隙中；Ti含量升至5.5 at. %时，开始出现TiC相；继续增加Ti含量，形成TiC纳米颗粒镶嵌于碳矩阵网络内的纳米复合结构，薄膜逐渐从非晶结构向纳米晶-非晶复合结构转变。Raman及XPS结果显示：薄膜中的Ti主要与C和杂质O成键；Ti的添加促进薄膜石墨化，且随Ti含量增加薄膜sp³键含量逐渐降低。

未掺杂Ti元素的ta-C薄膜内部存在较高残余压应力，达到-8.7 GPa。随Ti含量增加，薄膜残余应力逐渐降低，最小为-3.8 Gpa，说明Ti元素掺杂释放了薄膜的残余应力。薄膜的硬度和弹性模量总体上呈现先降低后升高的趋势，原因是掺杂少量的Ti元素后，薄膜内应力降低并开始石墨化，sp³键含量降低，硬度也随之降低；随着Ti含量的进一步增加，生成了较硬的TiC相纳米颗粒，并形成了纳米晶-非晶复合结构，进而提高了薄膜硬度。此外，通过薄膜的划痕形貌获得薄膜结合力临界载荷Lc₂，结果表明Ti元素掺杂显著提高了ta-C薄膜的膜基结合强度。

少量Ti的掺杂可有效改善ta-C薄膜常温及高温摩擦磨损性能。在Ti含量为5.5 at. %时，摩擦系数和磨损率最低，常温下摩擦系数为0.09，磨损率为3.6 mm³ ·10^-8/Nm，400 ℃下摩擦系数为0.25，磨损率为22.5 mm³·10^-8/Nm，说明掺杂少量Ti元素能显著改善ta-C薄膜的摩擦磨损性能。