固体润滑国家重点实验室（LSL）知识库

    类金刚石薄膜（diamond-like carbon films，简称DLC薄膜）由于其高的硬度、良好的化学稳定性、抗腐蚀性能和优异的摩擦磨损性能而广泛用作固体润滑防护涂层。然而较高的内应力和脆性韧性低等问题成为阻碍类金刚石薄膜得到广泛应用的瓶颈。因此，基于DLC薄膜急需解决的问题和实际应用的需要，设计了软硬交替DLC多层薄膜体系，其中软层将起到剪切带的作用，以缓解膜层中的内应力和界面应力。

   （1）采用磁控溅射的方法通过控制沉积时间制备不同调制周期的Cr/DLC多层膜，考察不同调制周期对机械和摩擦学性能的影响。发现多层结构改善了单层薄膜的机械性能，硬度和韧性都是随着调制周期的增加先增加后降低，调制周期为47.7 nm的多层膜具有最高的硬度和韧性，多层膜降低了单层DLC薄膜的内应力。主要原因是韧性相Cr与脆性相DLC结合的多层结构含有的大量塑性变形界面能够钝化裂纹尖端。Cr/DLC多层膜在低载下,膜层具有较低的摩擦系数，摩擦系数低于单层DLC薄膜，这归因于稳定转移膜的作用；高载下，基底发生塑性形变致使对偶上转移膜消失和摩擦系数升高，摩擦系数高于单层DLC薄膜。

   （2）采用闭合场非平衡磁控溅射的方法通过改变TiB2靶电流制备不同调制比的TiB₂/DLC纳米多层膜。利用FESEM、TEM、XRD和AFM观察了多层膜的微观结构和表面形貌，以及利用纳米压痕仪、维氏硬度计和CSM球-盘摩擦磨损试验机考察了不同调制比对多层膜的机械性能和摩擦学性能的影响。结果表明：TiB₂/DLC多层膜具有良好的多层调制结构；多层膜沿TiB₂（101）晶向择优生长；多层膜的表面粗糙度随着调制比的减小而增加；多层膜中的大量异质界面能显著提高薄膜的硬度及韧性，而且当TiB₂靶电流为2.0 A（调制比最小）时，多层膜的硬度约为单层DLC薄膜的两倍；多层膜中具有硬质TiB₂层和软质DLC层的交替结构，在摩擦过层中，硬层TiB₂起到良好的承载作用，软层DLC起到良好的润滑作用，使摩擦系数最低降至0.06左右。但由于多层膜引入硬质相TiB₂，在摩擦过程中以硬质颗粒的形式存在于摩擦界面，引起磨粒磨损，因此摩擦过程中磨粒磨损占主导作用，加剧了多层膜的磨损，使得磨损率升高。

   （3）根据上述的讨论，综合考虑选取最优的调制比通过改变转速制备不同周期的TiB₂/DLC纳米多层膜。考察了不同调制周期对多层膜的微观结构、机械以及摩擦学性能的影响。多层膜中包含有晶体相TiB₂并且沿（101）方向择优生长和sp²杂化键占主导非晶态结构的DLC层。多层膜的表面粗糙度随着调制周期的降低而降低。制备的多层膜断面呈多层调制周期结构，且表现为柱状结构。TiB₂/DLC纳米多层膜成功实现单层DLC薄膜的强韧化。TiB₂/DLC多层膜降低了单层DLC薄膜的摩擦系数，最低到0.078。多层膜的磨损率不依赖于调制周期，由于在摩擦过程中引入磨粒磨损加剧了多层膜的磨损率，使得多层膜的磨损率高于单层DLC薄膜。多层膜在不同载荷下的摩擦系数均低于单层薄膜，磨损率在同一量级且变化不大。不同载荷下多层膜的摩擦系数和磨损率表明TiB₂/DLC多层膜具有一定的承载能力和摩擦学稳定性。