類金剛石薄膜材料（diamond-like carbon，簡(jiǎn)稱DLC）作為一類非晶碳膜材料的統(tǒng)稱，主要由sp3 鍵（金剛石相）和sp2 鍵（石墨相）的三維交叉網(wǎng)絡(luò)混合而成，依制備方法不同可含有一定量氫，具有高硬度、低摩擦系數(shù)、高紅外透光性、良好化學(xué)惰性和生物相容性等諸多優(yōu)異性能，在海洋、航空航天、生物醫(yī)用、微機(jī)電、汽車等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。然而，目前DLC研究領(lǐng)域中還存在高殘余壓應(yīng)力、摩擦學(xué)不穩(wěn)定和低成本大面積制備困難等問題，這使其應(yīng)用受到嚴(yán)重限制。

近年來，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所汪愛英研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)DLC薄膜中存在的關(guān)鍵問題，設(shè)計(jì)、研制了具有高離化率的大面積均勻a-C:H碳膜線性離子束技術(shù)和雙彎曲磁過濾陰極電弧ta-C碳膜技術(shù)（授權(quán)專利：200920120060.1、201010135514.x ）。進(jìn)一步采用復(fù)合PVD技術(shù)，調(diào)控薄膜組分和含量，發(fā)展了多種具有低應(yīng)力、高硬度的從微量到高含量可控的金屬摻雜DLC復(fù)合薄膜材料體系（Me-DLC）（Surf. Coat. Technol. 205(2011)2882; 229(2013)217、J. Alloy Compd. 509 (2011) 4626、Thin Solid Films 520 (2012) 6057）；相關(guān)結(jié)果成功應(yīng)用于鎂合金、壓縮機(jī)滑片等部件表面強(qiáng)化（Diamond Relat. Mater. 19(2010) 1307、Surf. Coat. Technol. 205(2010)2067、 Appl. Surf. Sci. 270(2013)519； 授權(quán)專利：201010146572.2、201110085450.1）。結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)和第一性原理計(jì)算，提出了微量金屬摻雜導(dǎo)致DLC薄膜應(yīng)力大幅降低主要與摻雜金屬與碳原子的成鍵特征緊密相關(guān)的普適性物理機(jī)制(Thin Solid Films 520 (2012) 6064、Surf. Coat. Technol. S190 (2013); Appl. Surf. Sci. 273(2013)670)，這為設(shè)計(jì)、制備高性能DLC薄膜材料提供了指導(dǎo)。

最近，該研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)高精密工模具、微機(jī)電、大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等領(lǐng)域?qū)Τ?、超光滑ta-C耐磨防護(hù)薄膜的需求，發(fā)展了一種調(diào)控碳離子入射角度，實(shí)現(xiàn)低應(yīng)力、高硬度的超薄ta-C碳膜制備新方法。實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果表明，碳離子入射角的改變（0-60°）極大的弛豫了碳結(jié)構(gòu)中鍵長(zhǎng)和鍵角的畸變，但不影響薄膜中的sp3 C含量，導(dǎo)致應(yīng)力大幅降低同時(shí)薄膜保持了良好的力學(xué)特性；在入射角為60°時(shí)，ta-C碳膜應(yīng)力為2.8GPa（與0°相比降幅高達(dá)25%），納米壓痕硬度為31GPa，薄膜表面光滑致密。相關(guān)成果發(fā)表在近期的美國(guó)物理學(xué)會(huì)AIP Appl. Phys. Lett. 104 (2014) 141908上。

上述研究工作得到國(guó)家“973”子課題、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院重大裝備研制計(jì)劃、浙江省和寧波市等項(xiàng)目的資助。



不同金屬摻雜時(shí)Me-C之間成鍵特征的變化



不同碳離子源入射角下薄膜殘余壓應(yīng)力與硬度



不同碳離子源入射角下ta-C薄膜的鍵長(zhǎng)、鍵角畸變含量變化曲線（計(jì)算模型）