Page 43 - 《摩擦学学报》2021年第4期

486 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

(a) (b)
0.5 10 min
Load: 10 N 10 min 0.30 Load: 10 N 30 min
Full amplitude: 5 mm 30 min 0.24 Full amplitude: 5 mm 60 min
0.4
Friction coefficient 0.3 Counterpart: Al 2 O 3 ball 120 min Friction coefficient 0.18 Counterpart: Al 2 O 3 ball 120 min
60 min
Frequency: 6 Hz
Frequency: 6 Hz
90 min
90 min
Ball diameter: 6 mm
Ball diameter: 6 mm
180 min
174 min
Atmosphere: Air
225 min
Atmosphere: N 2
0.2
0.12
0.1 0.06
0.0 0.00
0 30 60 90 120 150 180 0 30 60 90 120 150 180 210 240
Time/min Time/min

Fig. 1 The friction coefficient curves of a-C:H film in (a) ambient air and (b) dry N 2
图 1 a-C:H薄膜的摩擦系数曲线：(a)空气中；(b)干燥氮气中
1.6
1 400 (a) (b)
50 1.4 Air
Depth/nm −100 1.2
1 200 −50 0 N 2
1 000
Wear depth/mm 800 −200 Length/μm Wear rate/[10 −7 mm 3 /(N·m)] 0.8
−150
1.0
−200 −100
0
100 200
600
0.6
400
Air
N 2 0.4
200 0.2
0 0.0
10 30 60 90 120 174 225 10 30 60 90 120 174 225
Time/min Time/min

Fig. 2 Comparison of (a) wear depth and (b) wear rate of the wear tracks formed in air and dry N 2
图 2 空气及干燥氮气中磨痕的(a)磨损深度及(b)磨损率对比图(a中插图为氮气中摩擦225 min时未磨穿区域的磨损深度)
3
常用的一种方法，利用Raman光谱分析摩擦前后磨痕 含量上升而sp -C原子相对含量下降 [27-28] . 这个结果可
和对偶球上转移膜的结构随时间变化，讨论转移膜的 以说明空气中摩擦使得a-C:H薄膜表面更加有序了.
演化规律. 图3(a)所示为原始薄膜在空气中摩擦，薄膜 但当摩擦174 min薄膜磨穿时，如图3(c)及其插图所
未被磨穿时，磨痕中心区域[图3(a)中插图所示区域]在 示，磨痕区域检测不到碳的特征峰，只在磨痕边缘的
−1
不同摩擦时间的Raman谱图. 可以看到，a-C:H薄膜在 磨屑处看到D峰和G峰. 500 cm 处的峰为SiO 的特征
2
−1
空气中摩擦产生的磨痕拉曼峰基本与原始薄膜峰形 峰，920 cm 处的弱肩峰由Si-OH振动产生，这可能是
−1
类似，均在200~2 000 cm 波长范围内出现了典型的 由于薄膜磨穿后，Si基底表面与空气中的氧气和水分
−1
[29]
[22]
DLC拉曼特征峰 . 其中位于1 380 cm 附近的D峰和 子作用的结果 .
1 560 cm 处的G峰分别对应于芳环的呼吸振动模式 图4分别为在空气中摩擦10、30、60、90和120 min
−1
2
和芳环或烯链中sp 位点对的拉伸振动模式 [23-24] . 此 以及磨穿后对偶球表面转移膜的显微照片. 可以看
2
3
外，由于a-C:H薄膜中同时存在sp 和sp 键合结构的 到，在空气中摩擦时，Al O 对偶球表面逐渐覆盖1层
2
3
碳，通常情况下，D峰和G峰的相对强度比I /I 和G峰 薄且不连续的转移膜，随时间增加，磨斑周围磨屑逐
D G
2
3
位置还可以间接表征DLC薄膜中sp 和sp 杂化键之间 渐增多，且当薄膜被磨穿时，对偶表面转移膜被完全
[25]
的相对比例 . 因此对绘制的Raman谱图进行高斯-洛 破坏，如图4(f)所示. 图5为摩擦不同时间对偶球磨斑
伦兹分峰处理，并对分峰处理后的I /I 及G峰峰位进 所对应的Raman光谱图. 观察图5(a)各个转移膜的
D G
行对比，所得结果如图3(b)所示. 观察发现，磨痕部位 Raman光谱发现，对偶球表面形成的转移膜不具有典
I /I 增加，G峰向高位移动，之前的研究也出现了类似 型DLC特征，由于拉曼测试范围有限，碳峰强度也很
D G
[26]
的结果 . 通常与H-DLC薄膜摩擦后D峰相对强度增 低，并不能准确地对其进行解谱分析. 最终，随着磨损
2
加的现象被称为“石墨化”，即薄膜表面sp -C原子相对 深度增加，润滑层被磨掉，对偶球上形成的转移膜与