電弧離子鍍納米復(fù)合疏水硬質(zhì)薄膜研究.pdf

1、在海洋國防建設(shè)中，航空飛行器和軍事裝備長期在惡劣的海洋環(huán)境下服役，這使零部件材料面臨嚴(yán)重的腐蝕和結(jié)冰等問題，其使用壽命和性能大大降低。近年來，受自然界荷葉效應(yīng)的啟發(fā)，利用超疏水薄膜進(jìn)行表面改性已成為材料表面防護(hù)的重要途徑之一。如果將超疏水薄膜用于金屬材料表面，可以有效地抑制表面腐蝕和氧化，提高自清潔和抗結(jié)冰能力。此外，在自清潔、交通運(yùn)輸、微流體器件和生物醫(yī)用等領(lǐng)域中，超疏水薄膜也展示了其特有的優(yōu)勢。然而在實(shí)際應(yīng)用過程中，苛刻的服役環(huán)境對

2、超疏水薄膜提出了更高的要求，除了應(yīng)具備較強(qiáng)的疏水性外，還應(yīng)具有良好的力學(xué)性能，從而起到增強(qiáng)防冰和防腐的作用，同時(shí)提高零部件表面耐磨減摩特性，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口冷端部件和人工關(guān)節(jié)等。傳統(tǒng)的有機(jī)疏水涂層雖然具有良好的疏水性能，但機(jī)械強(qiáng)度較差、不耐沖刷并且價(jià)格昂貴。因此，開發(fā)出既耐磨又疏水的復(fù)合型薄膜材料具有非常重要的意義。
　　納米復(fù)合薄膜因具有獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力學(xué)性能而備受關(guān)注，可以解決有機(jī)疏水涂層機(jī)械強(qiáng)度差等問題，而在追求超

3、疏水特性時(shí)，應(yīng)注意到低表面能材料和表面微觀形貌的協(xié)同作用。近年來發(fā)展起來的脈沖偏壓電弧離子鍍具有沉積溫度低、殘余應(yīng)力小、晶粒細(xì)化和顆粒凈化等特點(diǎn)為制備納米結(jié)構(gòu)薄膜提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。本論文旨在開發(fā)出高疏水性納米復(fù)合硬質(zhì)薄膜材料，采用脈沖偏壓電弧離子鍍工藝，在高速鋼W6Mo5Cr4V2基體上合成了TiN/a-C、TiC/a-C(Cu)和TiN/Cu納米復(fù)合薄膜，系統(tǒng)地研究了不同結(jié)構(gòu)納米復(fù)合薄膜的力學(xué)性能和疏水特性，并利用超快激光加工手

4、段進(jìn)行疏水改性，大幅度提高納米復(fù)合薄膜表面的水接觸角，使其在具備高硬度、低摩擦系數(shù)的同時(shí)，又具有很高的疏水性能。主要研究內(nèi)容及成果如下:
　　(1)首先采用脈沖偏壓電弧離子鍍技術(shù)在高速鋼基體上制備出TiN/a-C復(fù)合薄膜，系統(tǒng)地研究了沉積參數(shù)中偏壓和弧流對TiN/a-C薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響。隨著偏壓幅值的增加，薄膜的硬度和彈性模量先增加后降低，在-300 V時(shí)具有最高值，分別為32.5 GPa和367.4 GPa，并且此時(shí)薄膜呈現(xiàn)

5、明顯的晶體相特征。同時(shí)改變靶材弧流和氮?dú)饬髁?，薄膜各元素在較大范圍內(nèi)變化，成分變化明顯改變薄膜相結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。通過結(jié)構(gòu)分析，表明薄膜是由納米晶Ti(C，N)和非晶碳組分組成，即使非晶碳含量較低時(shí)，薄膜仍呈現(xiàn)非晶包裹納米晶復(fù)合結(jié)構(gòu)特征。隨著非晶碳組分含量的增加，薄膜的硬度和摩擦系數(shù)逐漸降低，在C含量為15.6 at.％，Ti含量為45.6 at.％時(shí)薄膜獲得最高硬度值，為37.5GPa，摩擦系數(shù)為0.25。所制備的TiN/a-C薄膜屬于

6、親水材料，水接觸角在80～89°之間變化，這主要是由于TiN/a-C薄膜表面能較高所致。
　　(2)采用石墨靶和金屬鈦靶制備了一系列不同成分的TiC/a-C復(fù)合薄膜，GIXRD結(jié)果顯示薄膜含有明顯的TiC晶體相，而XPS和Raman光譜顯示薄膜中還存在非晶碳組分。隨著Ti含量從38.1 at.％增加到49.7 at.％，薄膜硬度從25.4 GPa逐漸增加到36.0 GPa，這主要是因TiC晶體相含量增加造成的。相比于TiN/a-C

7、薄膜，薄膜疏水性能明顯提高，水接觸角最高為102.2°。在TiC/a-C薄膜基礎(chǔ)上添加少量的Cu，制備出不同成分的TiC/a-C(Cu)復(fù)合薄膜。薄膜表面平整致密，薄膜的結(jié)晶度較差，薄膜硬度為17.6～25.2GPa。隨著碳含量的增加，摩擦系數(shù)從0.35逐漸降低至0.18。由于Cu的摻入，降低了薄膜的表面能，疏水性能進(jìn)一步得到提高，該薄膜水接觸角為102.7～106.6°。
　　(3)采用脈沖偏壓電弧離子鍍技術(shù)制備出超硬TiN/C

8、u納米復(fù)合薄膜，XRD、XPS以及HRTEM結(jié)果證實(shí)所制備的薄膜為nc-TiN/nc-Cu結(jié)構(gòu)復(fù)合薄膜，少量的Cu是以細(xì)小的納米晶形式存在于薄膜中。Cu含量的變化對TiN/Cu薄膜結(jié)構(gòu)有明顯的影響，少量的Cu促進(jìn)TiN柱狀晶的生長，薄膜呈現(xiàn)粗大的柱狀晶結(jié)構(gòu)，當(dāng)Cu含量較多時(shí)，能夠有效地抑制TiN晶粒生長，薄膜形成隨機(jī)取向的等軸晶結(jié)構(gòu)。添加微量的Cu有助于提高薄膜的力學(xué)性能，在Cu含量為0.6 at.％時(shí)，nc-TiN/nc-Cu薄膜獲得

9、超高硬度值40.2GPa，同時(shí)具有較高的熱穩(wěn)定性，而摻入過量的Cu導(dǎo)致薄膜的硬度和彈性模量急劇降低。Cu的加入明顯改變薄膜的表面能進(jìn)而影響疏水性能，隨著Cu含量的增加，TiN/Cu薄膜的水接觸角明顯提高，在Cu含量為5.8 at.％時(shí)獲得水接觸角最高值為114.0°。
　　(4)采用皮秒激光加工手段對不同類型納米復(fù)合薄膜表面進(jìn)行微納結(jié)構(gòu)的構(gòu)造，研究了不同方陣列形貌對薄膜樣品疏水性能的影響。測試結(jié)果表明，周期性方柱結(jié)構(gòu)顯著提高薄膜樣