中国科学院材料磨损与防护重点实验室/先进润滑与防护材料研究发展中心知识库

由于单层氧化铬薄膜的高脆性易使薄膜发生脆性断裂而导致薄膜快速失效,而软硬交替沉积的薄膜结构能够缓解薄膜工程应用时的内应力和界面应力，且能够有效抑制裂纹的扩展，从而提高薄膜的韧性，延长薄膜的服役时间，提高此类薄膜工程应用的安全可靠性。针对氧化铬薄膜的高脆性问题，本论文设计制备了不同调制周期和不同调制比的Cr/Cr₂O₃多层薄膜，系统研究了调制周期和调制比对薄膜结构、力学和摩擦学性能的影响，取得了较为有益的的结果。主要研究内容和结论如下：

1.设计制备了不同调制周期的Cr/Cr₂O₃多层薄膜，通过复配韧性层提高了Cr₂O₃陶瓷薄膜的韧性及摩擦学性能，同时研究了调制周期对Cr/Cr₂O₃薄膜力学性能及摩擦学性能的影响。 研究结果表明多层薄膜的韧性和第一临界载荷随调制周期的减小而增大，而其硬度随调制周期的减小而降低。调制周期为 1075 nm 的薄膜表现出了最好的综合性能，即薄膜具有较好的膜基结合强度、较高的韧性和硬度，同时薄膜具有最好的抗磨损性能。

2.设计制备了相同重复结构单元(相同调制周期)不同调制比的多层Cr/Cr₂O₃薄膜，同时制备了单层薄膜与多层薄膜进行对比研究。 与单层薄膜相比，这种多层薄膜的设计能够有效提高薄膜的断裂韧性，但是硬度会有所损失。研究发现随着调制比(Cr₂O₃:Cr)的减小，薄膜的力学性能下降。而多层薄膜中调制比最大(Cr₂O₃:Cr为10:1)的薄膜表现了极为优异的摩擦学性能，当法向载荷为10N，滑行速度为10cm/s 时，单层薄膜的磨损寿命仅为6m，而多层薄膜的磨损寿命却达到了835m。

3.对Cr/Cr₂O₃多层薄膜进行不同温度的退火处理，通过与单层薄膜的对比，探究多层薄膜在高温下的摩擦磨损性能。研究结果表明：单层和多层薄膜经400 ℃、700 ℃退火后Cr-Cr₂O₃的界面层较为清晰，多层薄膜仍然保持多层结构。单层薄膜膜基结合力和硬度随退火温度的升高而升高；但多层薄膜的膜基结合力却随退火温度的升高而减小，硬度随退火温度的升高而升高。不同退火工艺处理的多层薄膜的常温摩擦磨损性能优于相应的单层薄膜。多层薄膜进行高温下的摩擦学性能测试，发现薄膜400 ℃时的摩擦系数最小，且其磨损率也较低。