Page 28 - 《摩擦学学报》2021年第2期

第 2 期 柴利强, 等: γ辐照对a-C: H薄膜微观组织、力学性能及摩擦学性能的影响 173

1.3
(a) (b)
1.2
Internal stress/GPa 1.1

1.0

2 nm 2 nm 0.9 Pristine 13.5 MGy

Fig. 4 TEM micrographs of the pristine (a) and irradiated a- 0.8
0 5 10 15
C:H films at 13.5 MGy dose (b) Irradiation dose/MGy
图 4 原始a-C:H薄膜(a)和13.5 MGy剂量辐照的a-C:H薄膜
(b)的TEM形貌 Fig. 6 Internal stress of the a-C:H films with respect to
irradiation dose
图 6 a-C:H薄膜随辐照剂量增加的应力变化图示
110
15 6 5 Pristine
13.5 MGy
Recorvery rate:
14 4 Recorvery rate: 105 随辐照剂量的增加，薄膜应力呈现逐渐增加的趋势.
81.17%
13 Load on sample/mN 3 2 85.61% 100 当辐照剂量大于5 MGy时，薄膜的残余应力达1.1 GPa.
Hardness/GPa 12 1 0 0 50 surface/nm 150 200 95 Young′s modulus/GPa 而当辐照剂量进一步增加，薄膜残余应力逐渐趋于稳
100
11
定. 该结果说明γ辐照处理使得的a-C:H薄膜的残余应
Displacement into
10
9 H/E Pristine 1 MGy 5 MGy 10 MGy 13.5 MGy 90 力增大. 这也与辐照改变薄膜内C原子的化学状态有
3
直接关系. 碳基薄膜内sp 含量越多，薄膜的残余应力
85
0.105
0.104
0.111
0.142
0.124
H 3 /E 2 0.097 0.097 0.122 0.177 0.293
8 越大 [26] . 此外，由图6内的插图可知，当辐照剂量达
0 5 10 15
Irradiation dose/MGy 13.5 MGy剂量时，由于应力的释放，薄膜内部出现局

Fig. 5 Mechanical properties and displacement-load curves 部剥落现象. 这意味着辐照后的薄膜具有比测试获得
of a-C:H films 的应力值更大的应力，由于残余应力大于薄膜与基体
图 5 a-C:H薄膜随辐照剂量变化的硬度、弹性模量及位移- 间结合力，辐照薄膜通过局部脱落的方式释放了部分
载荷曲线
应力. 这也说明薄膜在高剂量下辐照时，应力达到稳
原始样品经压入卸载后的恢复量为81.17%，而辐照样 定的现象是一种假象. 过多的应力已经通过薄膜局部
品的压入卸载恢复量为85.61%. 辐照薄膜样品展现出 剥落而释放.
更高的弹性恢复能力. 此外，辐照前后a-C:H薄膜的 为了揭示a-C:H薄膜的摩擦学特性与γ辐照剂量
2
3
H/E和H /E 比值也在图5中列出. 随辐照剂量的增加， 的关系，对不同剂量下辐照的样品进行球-盘模式的
3
2
H/E和H /E 比值整体显示出递增的变化趋势. 一定程 摩擦学试验. 试验选用φ6 mm的Si Ni 陶瓷球做为摩
3 4
2
3
度上，薄膜的H/E和H /E 比值和薄膜的刚度和韧性相 擦对偶材料，采用往复运动摩擦方式，载荷为8 N，频
[23]
对应，可分别用于评价薄膜的韧性和刚度 . 这意味 率6 Hz. 图7(a)所示为辐照样品随辐照剂量变化的摩
着γ辐照也使得a-C:H薄膜的刚度和韧性增加. 上述结 擦系数曲线. 原始样品的稳定阶段摩擦系数为0.02，随
果表明在辐照剂量范围内，γ射线使得a-C:H薄膜的力 辐照剂量的增加，摩擦系数呈增加趋势. 当辐照剂量
学性能均增加. 这一现象与γ辐照使得薄膜内sp 原子 达13.5 MGy时，薄膜稳定阶段的摩擦系数为0.05. 这
2
3
结构向sp 原子结构转变有直接关系. 非晶碳基薄膜的 表明在辐照剂量范围内，a-C:H薄膜的摩擦性能高度
2
sp 杂化键结构中由于存在键强较弱的π键，对薄膜的 依赖于辐照剂量变化，随辐照剂量增大，薄膜的摩擦
3
机械性能有较低的贡献，而薄膜内的sp 杂化键结构之 系数呈增加趋势. 图7(b)所示为辐照样品随辐照剂量
间以强共价键三维交联存在，且高度扭曲，对薄膜的 变化的体积磨损率(ω). 随辐照剂量的增加，ω从原始
−8
3
3
机械性能有决定性作用. 薄膜内sp 增加，薄膜的硬度 样品的2.43×10 mm /(N·m)增加为经13.5 MGy剂量
3
和弹性模量均升高 [24-25] . 辐照后的5.95×10 mm /(N·m)，这表明a-C:H薄膜的磨
−8
图6所示为非晶碳薄膜样品随γ辐照剂量增加的 损率变化规律和摩擦系数一致，随辐照剂量的增加同
3
应力变化曲线. 原始a-C:H薄膜的压应力为0.86 GPa. 样呈上升趋势. 干燥大气环境下，a-C:H薄膜内sp 的增