Базовый химический состав

Механические и трибологические свойства DLC-пленок в значительной степени зависят от их базового химического состава, в особенности, содержания водорода и соотношения sp/sp связей. Тем не менее, эти два параметра сложно изучить по отдельности, так как сложно создать пленки, в которых один из этих параметров изменяется независимо от другого.

Были сделаны попытки провести несколько первоначальных исследований с использованием алмазных игл АСМ. Группа Жиянга (Jiang) измерила жесткость на наноуровне, износ и трение на тонких DLC пленках с магнетронным распылением. Используя концентрации водорода на уровне примерно 2 at. %, 28 at. %, и 40 at. %, они обнаружили, что при высокой концентрации водорода коэффициент трения увеличивается, а характеристики жесткости и износа снижаются. К сожалению, соотношения sp/sp связей в пленках не были указаны.

В связанном исследовании, которое было проведено на макроуровне, коэффициенты макроскопического трения для DLC пленок, созданных аналогичным образом, были самыми низкими в тех случаях, когда пленки создавались при содержании водорода примерно 25%. Это позволяет предположить, что может существовать оптимальная концентрация водорода. На самом деле, самого низкого уровня трения и износа в NFC пленках можно достичь при оптимальной промежуточной концентрации водорода. Было бы желательно провести дальнейшие исследования этого эффекта.

DLC пленки, созданные с использованием техники химического осаждения из микроволнового плазменного разряда (MPCVD), испытывались на функцию H2 (g) в плазме. При увеличении концентрации H₂ (g) в плазме усиливается разрушение sp связей, ослабевает трение и увеличивается характеристика износа, которые измеряются АСМ с алмазной иглой. К сожалению, не проводилось измерение ни процентного содержания водорода в пленке, ни соотношения sp/sp связей. Поэтому наблюдаемые эффекты нельзя с уверенностью связывать со структурой пленки.

Очевидно, что количество водорода и соотношение sp/sp связей влияют на нанотрибологию. Тем не менее, в детальные всесторонние исследования необходимо включить независимое изменение этих параметров в целях объяснения их индивидуального вклада в механическое и трибологическое поведение.

Была сделана попытка изучить воздействие соотношения sp/sp связей в аморфном углероде (a-C) напрямую. Для этого DLC пленки с содержанием sp связей на уровне 34% или 53% размещали в системе напыления импульсным лазером (PLD). В соответствии с ожиданиями, жесткость и модуль упругости усиливаются вместе с увеличением sp-содержания. Но в этом случае на трение, при скольжении иглы из Si3N4 через каждую поверхность, воздействие не оказывается.

Пленки из CNx создавались с различным содержанием азота (0.2 < × < 0.3, соответствует содержанию sp связей на уровне 36–53%). И вновь, сопротивление скольжению не зависит от соотношения sp/sp связей. В целом, DLC пленки демонстрируют более высокое трение на наноуровне, чем пленки из CNx. Обе пленки демонстрируют значительно более высокий уровень трения, чем HOPG (на порядок).

Група Гао (Gao), которая также изучала вариации соотношения sp/sp в DLC, осуществила МД симуляции. Было обнаружено, что это соотношение само по себе не определяет механические свойства пленок. Скорее следует рассматривать трехмерную структуру этих связей. Например, пленки с sp-гибридизированным кольцами, ориентированными перпендикулярно подложке, могут иметь более высокие постоянные упругости, чем пленки с более высоким содержанием sp связей. Когда две поверхности, состоящие из sp-, sp- и sp- гибридизированных связей, скользят друг против друга, наблюдается, что из всех ступающих в реакцию компонентов в наибольшей степени за трибохимию и износ ответственны атомы углерода с sp-связями (Рис. 9). Это доказывает, что трибохимические реакции, идущие внутри химического состава пленки и по границе скольжения, влияют на определение трибологической характеристики.
 

Рис. 9. Серия трибохимических реакций, идущих в момент скольжения сопряженной поверхности Н-покрытого алмаза по a-C пленке. Нагрузка составляет нН. Сверху вниз: сопряженная поверхность прошла скольжением 0.0 нм, 1.35 нм, 2.35 нм 14.45 нм. До начала скольжения (a) на поверхности пленки присутствовало несколько ненасыщенных sp-гибридизированных атомов C (красный цвет). Химическая связь формируется между сопряженной поверхностью алмаза (серый цвет) и sp- гибридизированным атомом (b). Сопряженная поверхность и пленка подвергаются серьезной реструктуризации в результате формирования адгезионной связи (c). В случае (c) ряд атомов «вытягивается» из пленки. В результате дальнейшего скольжения адгезионные связи разрушаются, что становится причиной перехода атомов сопряженной поверхности в пленку и значительной реструктуризации пленки (d). Входящие в состав сопряженной поверхности атомы C и H отображаются серым и зеленым цветами соответственно. Ненасыщенные sp-гибридизированные атомы пленки отображаются красным цветом, а остальные атомы пленки – желтым. Атомы подложки алмаза отображены синим цветом.

Было обнаружено, что добавление фтора изменяет гидрофобность DLC пленок, что также влияет на фрикционные характеристики. Использование процесса химического осаждения из газовой фазы (CVD), повышающего концентрацию F, увеличивает угол контакта с водой (от 72–95°, при увеличении содержания F с 0–35 атомных процентов). Соответственно, адгезия и трение, измеренные АСМ в условиях окружающего воздуха, ослабевают по мере увеличения угла контакта. Ослабление адгезии может быть вызвано уменьшением капиллярного взаимодействия, но присутствие капилляра непосредственно не наблюдалось. В любом случае, это демонстрирует то серьезное воздействие, которое силы адгезии оказывают на трение на наноуровне.

Новые перспективы, открывающиеся в результате этих исследований, показывают, что для систем твердого углерода химический состав поверхности доминирует в трибологии при отсутствии износа, а базовый химический состав имеет большее значение после преодоления порога износа.

При подготовке статьи использованы материалы:
www.nanotoday.com

Академия Конъюнктуры Промышленных Рынков оказывает три вида услуг, связанных с анализом рынков, технологий и проектов в промышленных отраслях - проведение маркетинговых исследований, разработка ТЭО и бизнес-планов инвестиционных проектов.
• Маркетинговые исследования
• Технико-экономическое обоснование
• Бизнес-планирование

Автор:

Любовь Олиферова,
Академия Конъюнктуры Промышленных Рынков
Тел.: (495) 918-13-12, (495) 911-58-70
E-mail: mail@akpr.ru
WWW: www.akpr.ru