69 / 2020-09-15 10:34:49

钛过渡层对ta-C薄膜结合性能和摩擦学性能的研究，第一性原理计算和实验研究

第一性原理；界面结构；电子结构；结合性能；摩擦学性能

四面体非晶碳（tetrahedral amorphous carbon, ta-C）具有高硬度、低摩擦系数和高耐磨的特性，被广泛应用于切削工具、机械密封、磁性硬盘等领域，为各类零件起到减磨保护作用，但内应力大，膜基结合力差仍是ta-C薄膜进一步扩大其应用领域的瓶颈因素。在金属基体和ta-C薄膜之间添加过渡层可显著降低薄膜内应力，改善膜基结合性能。为了研究过渡层与ta-C薄膜和基体界面原子的结合形式，并预测界面结合强度，利用基于密度泛函理论的第一性原理，采用平面波赝势方法，研究了Fe/C、Fe/Ti和Ti/C界面的粘附功和电子结构。根据不同的界面原子配位类型，构建和计算了7种可能的界面几何结构，并通过电荷密度差和分态密度(PDOS)计算最稳定界面构型(Fe/C-OT、Fe/Ti-SL和Ti/C-OT)的电子结构。研究表明，Fe/Ti和Ti/C界面强度大于Fe/C界面，说明在钢基体和ta-C薄膜之间引入钛过渡层能够提高膜基结合力。Fe/C界面和Ti/C界面上以Fe-C和Ti-C共价键为主，而且Ti/C界面的电荷积累程度大于Fe/C界面。此外，利用磁过滤激光引弧阴极电弧的薄膜沉积技术在9Cr18基底上分别制备了ta-C薄膜和Ti/ta-C复合薄膜，通过改变过渡层Ti的制备工艺，研究了ta-C薄膜在钢基底材料上的附着特性和摩擦学性能的变化。结果表明，引入钛过渡层后，薄膜硬度从55GPa下降至45GPa，临界载荷由24N提高到28N。摩擦系数稍有增加，但磨损率降低。通过引入Ti过渡层，提高了膜基结合力，进而达到了改善摩擦学性能的目的。