類金剛石薄膜摩擦學(xué)性能影響因素及改善措施的研究進展

周 瓊，溫亞東，張而耕，黃 彪，李耀東，梁丹丹，陳 強

(1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)上海物理氣相沉積(PVD)超硬涂層及裝備工程技術(shù)研究中心，上海 201418;2.中國兵器工業(yè)集團第二○二研究所，咸陽 712000)

0 引 言

1971年美國AISENBERG和CHABOT等通過離子束沉積的方法發(fā)現(xiàn)了一種全新的硬質(zhì)碳，并根據(jù)其物理化學(xué)性能與金剛石相近而取名為類金剛石(diamond-like carbon，DLC);經(jīng)歷50多a的研究歷程，DLC薄膜的制備技術(shù)、分析測試手段不斷發(fā)展[1]。DLC中的碳原子主要以sp3雜化鍵(金剛石結(jié)構(gòu))和sp2雜化鍵(石墨結(jié)構(gòu))結(jié)合，因此DLC兼具金剛石和石墨的特點，表現(xiàn)出高硬度、耐腐蝕、低摩擦因數(shù)、耐磨損等優(yōu)良特性，特別是DLC所表現(xiàn)出來的在一定條件下的超滑特性(摩擦因數(shù)低于0.01)，為真正的近零磨損提供了可能[2]。DLC優(yōu)異的減摩抗磨特性，使其在摩擦學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但是影響其摩擦學(xué)性能的因素及其改善措施卻缺少系統(tǒng)總結(jié)。為了給薄膜摩擦領(lǐng)域?qū)W者系統(tǒng)地研究DLC薄膜提供參考，作者從固有因素和外界因素2個方面綜述了DLC薄膜摩擦學(xué)性能的影響因素，總結(jié)了DLC薄膜摩擦學(xué)性能的改善措施，提出了未來DLC薄膜摩擦學(xué)的重點研究方向。

1 摩擦學(xué)性能影響因素

1.1 固有因素

1.1.1 成 分

JACOB等[3]認為DLC的主要成分為sp2雜化碳原子和sp3雜化碳原子，有的還含有氫原子，其中碳原子軌道上的sp3雜化鍵決定了薄膜具有諸多類似于金剛石的優(yōu)良特性，比如高的硬度、良好的化學(xué)穩(wěn)定性等，而sp2雜化鍵決定了薄膜具有類似于石墨的較好的潤滑特性[1]。已有大量學(xué)者研究了成分對DLC薄膜摩擦學(xué)性能的影響。RAVEH等[4]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)sp3雜化鍵含量和氫含量都較高時，DLC薄膜在真空中的摩擦因數(shù)僅為0.01，不同的sp2和sp3雜化鍵比例會直接影響DLC薄膜的摩擦學(xué)性能。氫原子含量對DLC薄膜的摩擦學(xué)性能具有顯著的影響。ERDEMIR[5]通過改變化學(xué)氣相沉積中反應(yīng)氣源的氫、碳原子比例，在AISI-H13鋼盤上制備了含氫量不同的DLC薄膜，然后在氮氣氣氛下進行摩擦磨損試驗，發(fā)現(xiàn)制備的無氫DLC薄膜的穩(wěn)定摩擦因數(shù)為0.65，而當(dāng)反應(yīng)氣源中氫、碳原子數(shù)比約為10時，含氫DLC薄膜的穩(wěn)定摩擦因數(shù)低至0.003；DONNET等[6]采用等離子輔助化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備了不同氫含量的DLC薄膜，發(fā)現(xiàn)氫原子分數(shù)為40%和42%的DLC薄膜在真空環(huán)境中可以實現(xiàn)超低摩擦因數(shù)。

1.1.2 基體材料

在陶瓷、硅、硬質(zhì)合金、玻璃、鋁合金、鈦合金等基體材料上都可以沉積DLC薄膜，一般DLC薄膜的摩擦因數(shù)隨基體硬度的增加而減小，在表面硬度低的鋁合金表面直接沉積的DLC薄膜的摩擦因數(shù)較大[1]。通常認為與碳有相近的晶格匹配、熱膨脹系數(shù)以及能與碳形成強化學(xué)鍵的材料是理想的沉積DLC薄膜的基體材料[1]。但是，大多數(shù)基體材料都不易與碳形成化學(xué)鍵，且與碳的硬度和熱膨脹系數(shù)差別很大，直接在這些基體上沉積的DLC薄膜的結(jié)合性能很差，放置一段時間后會出現(xiàn)大面積脫落現(xiàn)象[7]，因此通常在沉積DLC薄膜前會在基體表面制備一層過渡層。過渡層的熱膨脹系數(shù)、硬度和彈性模量介于薄膜和基體之間，可以緩沖沉積DLC薄膜過程中所產(chǎn)生的生長應(yīng)力及冷卻過程中的熱應(yīng)力，提供足夠的承載力，協(xié)調(diào)變形，減弱基體的影響[8-9]。孫建芳等[10]采用物理氣相沉積/等離子增強化學(xué)氣相沉積復(fù)合離子鍍膜技術(shù)在TC4鈦合金基體上先制備了Ti/TiN/TiCN過渡層，然后在過渡層上制備了DLC薄膜，發(fā)現(xiàn)該復(fù)合薄膜與鈦合金基體結(jié)合緊密，厚度均勻，具有較好的力學(xué)和摩擦學(xué)性能。周佳等[11]綜述了鋁合金表面沉積DLC薄膜的研究進展，指出通過增強基體力學(xué)性能與減少表面宏觀缺陷可以極大提高薄膜和基體的結(jié)合性能，采用物理氣相沉積或其他表面處理方法在鋁合金表面制備一層或多層中間過渡層，可以極大緩解DLC薄膜與鋁合金基體在結(jié)構(gòu)和性能上的差異。李安等[12]用等離子體增強化學(xué)氣相沉積技術(shù)在不銹鋼、鋁合金、銅合金基體上沉積了多層硅摻雜超厚DLC薄膜，發(fā)現(xiàn)所得薄膜結(jié)構(gòu)致密,層間界面清晰可見，沉積過程中無明顯缺陷形成，相比于鋼、銅合金基體，在鋁合金基體上沉積的超厚DLC薄膜的磨損率最低?？梢姡w材料對DLC薄膜摩擦學(xué)性能具有極大影響。

1.1.3 表面粗糙度

薄膜表面越粗糙就意味著存在越多的微凸體，在摩擦過程中微凸體會相互嵌入產(chǎn)生互鎖作用，從而引起嚴(yán)重的機械嚙合和嚴(yán)重的磨損?；w的表面粗糙度也會影響薄膜的摩擦學(xué)性能。HOLMBERG等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在具有微米級光滑形貌的基體表面沉積DLC薄膜并與鋼或陶瓷組成摩擦副時，薄膜的摩擦因數(shù)為0.05～0.30，而在具有分子程度光滑形貌的基體表面沉積DLC薄膜的摩擦因數(shù)為0.001～0.150。VLADIMIROV等[14]研究發(fā)現(xiàn)，DLC薄膜的摩擦磨損性能與基體表面粗糙度和薄膜厚度的比值有關(guān)，適合的比值范圍為0.2～0.3。一般降低基體表面粗糙度會使DLC薄膜的摩擦因數(shù)減小，但并不是表面越光滑，DLC薄膜的摩擦學(xué)性能越好，這是因為當(dāng)表面粗糙度降低到一定值時，基體分子間會產(chǎn)生相互作用力，導(dǎo)致薄膜具有較大的摩擦因數(shù)。

1.2 外界因素

1.2.1 試驗條件

影響DCL薄膜的摩擦磨損性能的試驗條件主要包括載荷、滑動速度等。高載荷會加速DLC薄膜的石墨化進程并增大石墨化程度，導(dǎo)致薄膜的摩擦因數(shù)降低[1,15]。FIELD等[16]研究發(fā)現(xiàn)，采用物理氣相沉積技術(shù)制備的DLC薄膜的摩擦因數(shù)與法向載荷有關(guān)，在20～100 N法向載荷條件下，法向載荷越大，摩擦因數(shù)降低的速率越快，穩(wěn)態(tài)摩擦因數(shù)越低，達到穩(wěn)定摩擦因數(shù)的時間越短。李紅軒[17]研究發(fā)現(xiàn)，在空氣環(huán)境中隨著滑動速度的增大，DLC薄膜的摩擦因數(shù)較大且呈降低趨勢，但在干燥氮氣環(huán)境中，摩擦因數(shù)極低且基本保持不變，這與在空氣環(huán)境中，活潑的氧分子和水分子使薄膜在摩擦過程中發(fā)生氧化，而在干燥的氮氣環(huán)境中，氮氣分子未參與摩擦過程有關(guān)。

1.2.2 對磨材料

隨著DLC薄膜的廣泛應(yīng)用，與DLC薄膜組成摩擦副的對磨材料越來越多，可分為金屬材料(鋼、鈦、鋁、銅等金屬及合金材料)、軟質(zhì)材料(聚合物、橡膠等)、高硬度陶瓷材料(剛玉、陶瓷、金剛石及各種硬質(zhì)涂層等)三大類。由于軟質(zhì)材料的應(yīng)用極其特殊，因此在此主要討論金屬材料和高硬度陶瓷材料作為對磨材料對DLC薄膜摩擦學(xué)性能的影響。

孫建芳等[10]利用等離子體增強化學(xué)氣相沉積法在鈦合金表面制備了DLC薄膜，并研究了薄膜與4種陶瓷球(Al2O3、SiC、Si3N4、ZrO2)和4種金屬球(純鋁、黃銅、304不銹鋼、GCr15合金鋼)配副的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)DLC薄膜與SiC和ZrO2陶瓷球配副后，這2種陶瓷球表面形成比較穩(wěn)定的DLC轉(zhuǎn)移膜，陶瓷球表面磨斑面積較小，DLC薄膜的摩擦因數(shù)和磨損率均較低；與304不銹鋼和GCr15合金鋼金屬球配副后，金屬球表面的磨斑面積較小，DLC薄膜的摩擦因數(shù)和磨損率均較低；相比陶瓷球，與低硬度的金屬球配副后的DLC薄膜較易磨損，轉(zhuǎn)移膜易流失，摩擦因數(shù)較高。CHU等[18]研究發(fā)現(xiàn)，不同陶瓷材料(Si3N4、SiC、WC、ZrO2、SiO2)與DLC薄膜摩擦后，陶瓷表面形成的轉(zhuǎn)移膜的石墨化程度不同，其中WC、SiC、Si3N4表面的轉(zhuǎn)移膜石墨化程度很高，ZrO2表面轉(zhuǎn)移膜石墨化程度較低，SiO2表面未形成轉(zhuǎn)移膜；轉(zhuǎn)移膜的石墨化程度越高，摩擦因數(shù)越低。DLC薄膜與金屬材料配副時的摩擦因數(shù)較高，一般為0.1～0.2，而與高硬度陶瓷材料配副時的摩擦因數(shù)較低，一般小于0.1[1]。與DLC薄膜配副的對磨材料表面能否形成轉(zhuǎn)移膜以及轉(zhuǎn)移膜的石墨化程度決定著DLC薄膜的摩擦學(xué)性能。

1.2.3 氣氛環(huán)境

在ENKE等[19]于1980年首次報道了DLC薄膜在特定氣氛環(huán)境下具有低摩擦因數(shù)和持久耐用性后，研究者對DLC薄膜在不同氣氛環(huán)境中的摩擦學(xué)性能進行了深入的探討。有學(xué)者認為不同氣氛環(huán)境中摩擦學(xué)性能的差異是由于薄膜表面的自由懸鍵在真空或惰性氣氛中會引起非常強的黏著作用，導(dǎo)致DLC薄膜具有較大的摩擦因數(shù)，而在高濕度環(huán)境中氧分子或水分子可以消除自由懸鍵，使摩擦因數(shù)降低。

鄭韶先等[20]研究發(fā)現(xiàn)，相比于真空環(huán)境，在CO2環(huán)境中DLC薄膜與鋁配副時的摩擦學(xué)性能較好，這是由于在CO2環(huán)境中，鋁原子和氧原子會與CO2分子反應(yīng)，形成離子鍵，大幅降低界面分離功。DONNET等[21]研究發(fā)現(xiàn)，在大氣環(huán)境中，在硅基體上沉積的DLC薄膜與AISI52100鋼配副時的穩(wěn)定摩擦因數(shù)約為0.15，當(dāng)真空度為10-710-1Pa時，穩(wěn)定摩擦因數(shù)為0.0060.008，當(dāng)真空度為10～50 Pa時，穩(wěn)定摩擦因數(shù)為0.01～0.07。WU等[22]研究發(fā)現(xiàn)，相比于空氣環(huán)境，DLC薄膜在氦氣環(huán)境中的摩擦學(xué)性能受對磨材料的影響較大，且與氦氣環(huán)境相比，DLC薄膜在空氣環(huán)境中的摩擦學(xué)性能得到明顯提高。寧可心等[23]研究發(fā)現(xiàn)，DLC薄膜在干燥氮氣中與Al2O3陶瓷球配副時的磨損壽命比在空氣中長，這是因為在氮氣環(huán)境中Al2O3陶瓷球表面的轉(zhuǎn)移膜可以在一定程度上穩(wěn)定存在，從而降低磨損程度，延長磨損壽命。表1中總結(jié)了不同DLC薄膜在不同氣氛環(huán)境中的摩擦因數(shù)，可以明顯看出薄膜的摩擦學(xué)性能受氣氛環(huán)境的影響較大。

表1 不同DLC薄膜在不同氣氛環(huán)境中的摩擦因數(shù)[1]

2 摩擦學(xué)性能的改善措施

2.1 表面織構(gòu)化

表面織構(gòu)化指采用適當(dāng)?shù)募庸すに?，在不改變材料自身性質(zhì)的前提下，在表面制備具有特定排布、尺寸、形狀的微結(jié)構(gòu)陣列，以獲得特殊的表面性能。合理的織構(gòu)化設(shè)計具有改善摩擦學(xué)性能及生物學(xué)性能的能力，同時隨著理論與技術(shù)的發(fā)展，表面織構(gòu)技術(shù)已快速應(yīng)用到涂層制備、機械密封等行業(yè)中。1966年，HAMILTON等[24]第一次通過蝕刻技術(shù)在密封零部件上加工了一系列微觀凸起結(jié)構(gòu)，這就是最早期的織構(gòu)，通過試驗獲得了最佳的表面織構(gòu)尺寸，證實了這些微觀凸起結(jié)構(gòu)可明顯降低摩擦因數(shù)，同時還可增強摩擦副的承載能力。WANG等[25]利用飛秒激光器在金剛石刀具上制備了環(huán)形網(wǎng)格、直槽形、同心圓形、凹槽形織構(gòu)，通過試驗發(fā)現(xiàn)除同心圓形織構(gòu)外，其他形狀織構(gòu)化的金剛石刀具的摩擦因數(shù)都大大降低。

近幾年李振東等[26]采用激光加工的方法制備了表面織構(gòu)密度分別為5.95%，8.26%，11.55%的3組鈦合金試樣，然后采用等離子增強物理氣相沉積技術(shù)在其表面制備DLC薄膜，發(fā)現(xiàn)在織構(gòu)密度5.95%的鈦合金表面所制備的DLC薄膜磨損率相比直接在鈦合金表面制備薄膜降低了60%，同時隨著織構(gòu)密度的增大，磨損率增加，摩擦因數(shù)變化極小。祁鵬浩等[27]設(shè)計了圓孔織構(gòu)、V形織構(gòu)、線形織構(gòu)和微紋織構(gòu)4種織構(gòu)，采取了在織構(gòu)上沉積DLC薄膜和在DLC薄膜上加工織構(gòu)2種加工方法，通過球盤摩擦磨損試驗發(fā)現(xiàn)，相比于在DLC薄膜上加工織構(gòu)的方法，在織構(gòu)上沉積DLC薄膜的方法對其摩擦學(xué)性能改善不明顯，此外在DLC薄膜上沉積微紋織構(gòu)的摩擦學(xué)性能最好。

2.2 異質(zhì)元素摻雜

2.2.1 金屬元素摻雜

根據(jù)金屬元素在非晶碳基體中的存在形式，將金屬摻雜DLC薄膜分為弱碳金屬摻雜DLC薄膜(如鋁摻雜DLC，銀摻雜DLC)和親碳金屬摻雜DLC薄膜(如鈦摻雜DLC，鉻摻雜DLC)[28]，所摻雜的金屬元素主要包括鈦、鉻、鉬、鋁、銅、銀、鋯、鈷等。

鈦摻雜可以提高DLC薄膜的硬度，減小摩擦副的磨損，加快石墨化轉(zhuǎn)移層的形成，從而提高薄膜的耐磨性能[1]。上海物理氣相沉積超硬涂層及裝備工程技術(shù)研究中心運用磁控濺射技術(shù)制備了多梯度鈦摻雜DLC薄膜，與GCr15鋼球組成摩擦副進行摩擦磨損試驗后發(fā)現(xiàn)，相比于無摻雜DLC薄膜，鈦摻雜DLC薄膜由于具有較高的硬度和良好的熱穩(wěn)定性而表現(xiàn)出較好的摩擦學(xué)性能。

鉻具有強的抗氧化能力和優(yōu)異的耐磨性能，將鉻摻雜在DLC薄膜中后可與碳鍵合形成穩(wěn)定的碳化物納米晶相，降低薄膜內(nèi)應(yīng)力，提高薄膜與基體間的結(jié)合力，改善DLC薄膜的摩擦學(xué)性能[1]。DAI等[29]采用磁控濺射和離子源復(fù)合技術(shù)在鎂合金表面制備了不同鉻摻雜量的DLC薄膜，發(fā)現(xiàn)當(dāng)摻雜鉻的原子分數(shù)為2.34%時，DLC薄膜表現(xiàn)出了非晶特征，而當(dāng)摻雜鉻的原子分數(shù)為31.5%時，薄膜的非晶態(tài)基體中出現(xiàn)了碳化鉻結(jié)晶相。GASSNER等[30-31]系統(tǒng)研究了鉻摻雜DLC薄膜微觀結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成，發(fā)現(xiàn)當(dāng)薄膜中的碳化鉻結(jié)晶相顆粒尺寸在2～10 nm并高度分散時，薄膜表現(xiàn)出較低的摩擦因數(shù)和良好的耐磨性能，碳化鉻顆粒的存在可大幅度提高薄膜的力學(xué)性能。

鋁作為異質(zhì)元素摻入DLC薄膜中，會與碳形成不穩(wěn)定的弱鍵合碳化物，易使DLC中的碳原子在對磨材料表面形成轉(zhuǎn)移膜，從而大幅度增強DLC薄膜的服役環(huán)境適應(yīng)性和摩擦學(xué)性能。韓熙等[32]研究了鋁摻雜DLC薄膜在空氣和水介質(zhì)中的摩擦磨損行為，發(fā)現(xiàn)在水介質(zhì)中DLC薄膜的磨損程度較小，這歸因于鋁的摻雜使薄膜表面吸附水分子能力變強，說明鋁摻雜可以增強DLC薄膜的服役環(huán)境適應(yīng)性。

銅、銀、鉬均具有良好的自潤滑性能，適合用于高溫、超低溫、超高真空等苛刻環(huán)境，這些金屬的硬度低、延展性良好，與DLC薄膜復(fù)合后不僅可降低DLC薄膜的內(nèi)應(yīng)力，還可有效強化DLC薄膜在真空和空氣環(huán)境下的摩擦學(xué)適應(yīng)性[1]。趙棟才等[33]研究發(fā)現(xiàn)，隨著銅摻雜量的增加，電弧離子鍍DLC薄膜的摩擦因數(shù)緩慢增加，磨損量較小，但是當(dāng)銅含量達到一定值后，其摩擦因數(shù)波動較大，磨損量增大。魯志斌等[34]研究發(fā)現(xiàn)，在高真空條件下，與未摻雜DLC薄膜相比，非平衡磁控濺射技術(shù)制備的銀摻雜DLC薄膜與GCr15球?qū)δズ筮_到了超潤滑狀態(tài)，且薄膜的硬度、彈性模量、黏塑性都有較大提高。鉬作為一種過渡元素摻入DLC薄膜中，可在介質(zhì)潤滑條件下對薄膜的摩擦學(xué)性能起到好作用[35]。

2.2.2 非金屬元素摻雜

與金屬元素相比，摻入DLC薄膜中的非金屬元素均與薄膜中的碳原子發(fā)生不同程度的鍵合，即非金屬元素部分取代非晶碳基網(wǎng)絡(luò)中的碳原子或氫原子，改變薄膜中sp2和sp3雜化鍵的比例及氫含量，促使非晶碳基網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)重整，從而提高薄膜的熱穩(wěn)定性、力學(xué)性能與摩擦學(xué)性能，以及根據(jù)服役工況調(diào)控薄膜的光電性能、生物相容性等[1]。目前，可以提高DLC薄膜摩擦學(xué)性能的非金屬元素主要包括硅、氮和氟。

上海物理氣相沉積超硬涂層及裝備工程技術(shù)研究中心通過陰極電弧沉積法制備了硅摻雜DLC薄膜，通過摩擦磨損試驗發(fā)現(xiàn)，相比于無摻雜DLC薄膜，硅摻雜DLC薄膜表現(xiàn)出更好的摩擦學(xué)性能，在大氣環(huán)境下的摩擦因數(shù)為0.07～0.08，這是因為摻雜的硅與碳形成了新的C-Si鍵，同時薄膜中sp2雜化鍵含量也未顯著增加。ZHAO等[36]研究發(fā)現(xiàn)，硅摻雜DLC薄膜在水環(huán)境中的摩擦因數(shù)低至0.005，實現(xiàn)了超滑狀態(tài)。汪科良等[37]研究發(fā)現(xiàn)，硅的摻雜能夠提高DLC薄膜的熱穩(wěn)定性，拓寬使用溫度范圍，降低摩擦學(xué)性能對濕度的敏感性。

氮摻雜DLC薄膜中C-N鍵合狀態(tài)、原子含量、薄膜微觀結(jié)構(gòu)決定薄膜的摩擦學(xué)性能，摻雜的氮會提高類石墨相的交聯(lián)程度，大量碳以芳香環(huán)結(jié)構(gòu)鍵合，摩擦因數(shù)降低[1]。張志龍[38]運用射頻磁控濺射法，通過調(diào)控氮氣和氬氣的流量比，制備了不同含量氮摻雜DLC薄膜，發(fā)現(xiàn)當(dāng)摻雜氮的原子分數(shù)為6.64%時，sp3雜化鍵含量最多，薄膜的磨損率最小。

氟元素摻入DLC薄膜中后可極大提高DLC薄膜在潮濕環(huán)境下的摩擦學(xué)適應(yīng)性，同時薄膜的氟化改性可有效鈍化薄膜表面對氧和水分的吸附，增強耐腐蝕性能[1]。FONTAINE等[39]研究發(fā)現(xiàn)，氟摻雜DLC薄膜在高真空環(huán)境中的摩擦因數(shù)低至0.005，這是因為氟作為一個單價原子，在結(jié)構(gòu)中的作用與氫相同。WANG等[40]研究發(fā)現(xiàn)，在Ti-6Al-4V合金上沉積的氟摻雜DLC薄膜與基體間結(jié)合良好，且隨著氟摻雜量的增加，薄膜在空氣條件下的摩擦學(xué)性能提高。

2.2.3 化合物摻雜

化合物摻雜DLC薄膜是指摻雜相以化合物形式嵌埋在DLC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中所形成的納米晶/非晶復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜，目前研究較多的化合物有MoS2化合物、WS2化合物等。MoS2化合物是國際航空航天工程領(lǐng)域中應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)固體潤滑劑，具有極佳的潤滑性能[1]。將MoS2化合物分散在具有高化學(xué)穩(wěn)定性的致密非晶碳基體中，利用納米晶/非晶復(fù)合結(jié)構(gòu)強化及MoS2-DLC理化性能協(xié)同效應(yīng)，可實現(xiàn)在真空和大氣潮濕環(huán)境下具有長壽命、低摩擦因數(shù)的DLC復(fù)合薄膜的制備[1]。VOEVODIN等[41]根據(jù)變色龍在不同環(huán)境改變皮膚顏色以增加其生存機會的能力作為靈感來源，采用脈沖激光沉積研制了自適應(yīng)超強的耐磨MoS2-DLC薄膜，發(fā)現(xiàn)MoS2以納米晶的形式鑲嵌在非晶DLC體系中，該薄膜在不同環(huán)境中均表現(xiàn)出良好的摩擦學(xué)性能，在潮濕空氣、真空和干燥空氣環(huán)境中的摩擦因數(shù)分別約為0.1，0.03，0.007。王松等[42]利用低溫離子滲硫技術(shù)和離子束輔助沉積技術(shù)制備了WS2/W-DLC薄膜，發(fā)現(xiàn)薄膜在大氣環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能和超低的摩擦因數(shù)，WS2均勻鑲嵌于DLC基體內(nèi)形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，該復(fù)合結(jié)構(gòu)是薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異性能的主要原因。

3 結(jié)束語

DLC薄膜摩擦學(xué)性能的影響因素包括固有因素和外界因素兩個方面，其中固有因素包括薄膜的成分、基體材料、表面粗糙度，外界因素包括試驗條件(載荷、滑動速度)、對磨材料、氣氛環(huán)境。在DLC薄膜摩擦磨損過程中，接觸表面不僅會發(fā)生物理機械作用、黏著作用、摩擦化學(xué)作用、熱作用、第三體作用，而且薄膜表面還會發(fā)生不同程度的石墨化而在對磨材料表面形成轉(zhuǎn)移膜；服役環(huán)境會影響轉(zhuǎn)移膜的產(chǎn)生，環(huán)境中的氫原子、氧原子等極度活躍，摩擦后薄膜表面不僅會發(fā)生氧化反應(yīng)，而且在摩擦剪切作用下斷裂的C-C鍵還會與環(huán)境中的原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成新的原子鍵，增大接觸面之間的相互作用能[43]。目前大多數(shù)的研究都是在相同試驗條件下對不同DLC薄膜或是在不同試驗條件下對相同DLC薄膜的摩擦學(xué)性能進行對比，但并未將各種影響因素耦合起來進行分析研究。DLC薄膜摩擦學(xué)性能的改善措施包括表面織構(gòu)化、異質(zhì)元素摻雜(金屬元素、非金屬元素、化合物)等。

目前，對多因素耦合條件下DLC薄膜摩擦學(xué)性能的研究缺乏先進的表征技術(shù)和手段，對于其摩擦機制以及在實際工況下的應(yīng)用缺少理論模型，因此DLC薄膜摩擦學(xué)性能今后的研究方向主要集中在以下3個方面：(1) 研究先進的表征手段和試驗儀器以在多因素耦合條件下準(zhǔn)確衡量DLC薄膜的摩擦學(xué)性能；(2) 結(jié)合計算機模擬方法，建立完善的DLC薄膜摩擦學(xué)動力學(xué)模型，有效并且準(zhǔn)確地評估DLC薄膜的摩擦學(xué)機制；(3) 多元素摻雜、梯度薄膜、表面織構(gòu)化、表面改性等多種方法的聯(lián)合應(yīng)用是未來提高DLC薄膜摩擦學(xué)性能的關(guān)鍵。