類富勒烯結(jié)構(gòu)對(duì)含氫碳膜摩擦學(xué)性能的影響

裴露露，吉利，李紅軒，劉曉紅，周惠娣，陳建敏

類富勒烯結(jié)構(gòu)對(duì)含氫碳膜摩擦學(xué)性能的影響

裴露露1,2，吉利1，李紅軒1，劉曉紅1，周惠娣1，陳建敏1

（1.中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所 中國(guó)科學(xué)院材料磨損與防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 材料與光電研究中心，北京 100049）

研究類富勒烯結(jié)構(gòu)含氫碳膜的摩擦學(xué)性能及潤(rùn)滑機(jī)理。采用閉合場(chǎng)非平衡反應(yīng)磁控濺射技術(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)靶電流制備出類富勒烯結(jié)構(gòu)含氫碳膜（FL-C:H）與非晶含氫碳膜（a-C:H）。通過(guò)掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡觀察薄膜表面與斷面的形貌，通過(guò)傅里葉紅外光譜儀表征了碳膜的碳?xì)滏I結(jié)構(gòu)，通過(guò)納米壓痕儀、劃痕儀、摩擦磨損實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)薄膜的力學(xué)及摩擦學(xué)性能，通過(guò)透射電子顯微鏡分析磨屑結(jié)構(gòu)，并通過(guò)光學(xué)顯微鏡及三維輪廓儀對(duì)磨斑及磨痕形貌進(jìn)行分析。類富勒烯結(jié)構(gòu)對(duì)薄膜的機(jī)械力學(xué)性能影響不大，但是對(duì)其大載荷下的摩擦學(xué)性能有影響。與a-C:H碳膜相比，小載荷下（5 N），F(xiàn)L-C:H碳膜的摩擦系數(shù)較高，大載荷下（20 N），F(xiàn)L-C:H碳膜具有較低的摩擦系數(shù)（0.03）和磨損率（4.8×10?8mm3/(m·N)），并且其摩擦界面形成了類球狀納米結(jié)構(gòu)顆粒。隨著載荷的增加，F(xiàn)L-C:H碳膜的摩擦系數(shù)和磨損率先降低，后基本不變，在載荷大于15 N時(shí)，摩擦界面形成了類球狀納米結(jié)構(gòu)顆粒。類球狀納米結(jié)構(gòu)顆粒的形成能降低薄膜的摩擦系數(shù)和磨損率，而FL-C:H碳膜比a-C:H碳膜更易在摩擦界面形成類球狀納米結(jié)構(gòu)顆粒。這種類球狀納米結(jié)構(gòu)的形成還依賴于載荷的大小（大載荷時(shí)更易形成），因此類富勒烯碳膜在大載荷下更易保持低的摩擦系數(shù)及磨損率。

類富勒烯結(jié)構(gòu)；含氫碳膜；反應(yīng)磁控濺射；摩擦學(xué)性能；類球狀納米結(jié)構(gòu)

含氫碳膜作為潤(rùn)滑防護(hù)薄膜，具有高硬度、低摩擦及良好的抗磨損能力、生物相容性、化學(xué)惰性等特性，在一些精密機(jī)械運(yùn)動(dòng)器件、切削工具、模具、生物醫(yī)學(xué)人工假體等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。但是薄膜的殘余應(yīng)力過(guò)大，容易發(fā)生脆性斷裂，導(dǎo)致碳膜過(guò)早失效，限制了其服役壽命和可靠性[5-6]。研究者們已經(jīng)采用多種方法改善含氫碳膜殘余應(yīng)力過(guò)大的問(wèn)題，包括復(fù)合各種金屬和非金屬元素[7-8]，形成多層結(jié)構(gòu)[9]，調(diào)控生長(zhǎng)中程有序的微結(jié)構(gòu)等[10-13]，特別是在碳膜中調(diào)控生長(zhǎng)含有類富勒烯、石墨烯、碳納米管等中程有序結(jié)構(gòu)，在不降低硬度的同時(shí)，改善了含氫碳膜的脆性問(wèn)題。宋惠等[14-15]利用反應(yīng)磁控濺射，在含氫碳膜中成功制備出了中程有序的石墨烯和碳納米線結(jié)構(gòu)，賦予了薄膜良好的機(jī)械性能，很好地彌補(bǔ)了含氫碳膜存在的不足，特別是構(gòu)筑的石墨烯結(jié)構(gòu)，在高真空下的摩擦壽命已取得了突破性的進(jìn)展。王鵬等[16]利用磁控濺射技術(shù)在甲烷和氬氣氣氛下，成功地制備出了高硬度、高彈性恢復(fù)的具有類富勒烯結(jié)構(gòu)的含氫碳膜（FL-C:H），其摩擦系數(shù)在不同環(huán)境中的最大差值僅為0.02，表現(xiàn)出良好的低環(huán)境敏感性。吉利等[17]制備的FL-C:H碳膜成功地改善了a-C:H碳膜摩擦學(xué)性能的環(huán)境敏感問(wèn)題，在高濕度下依舊保持了較優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。FL-C:H碳膜摩擦學(xué)性能優(yōu)異的原因是，在摩擦過(guò)程中于摩擦界面生成了有利于減少摩擦的類球狀卷曲的納米顆粒[18]。龔珍彬等[19]的研究發(fā)現(xiàn)，含氫a-C:H碳膜在摩擦過(guò)程中，也會(huì)在摩擦界面形成這種特殊的納米顆粒。既然兩種碳膜在摩擦過(guò)程中都會(huì)形成這種減小摩擦的類球狀的納米顆粒，那么這兩種薄膜的摩擦學(xué)性能差異在哪里，值得研究。

基于此，本文制備了兩種硬度相似的薄膜：一種是含氫非晶碳膜（a-C:H），另一種是類富勒烯含氫碳膜（FL-C:H）。研究了兩種薄膜在小載荷（5 N）、大載荷（20 N）下的摩擦學(xué)性能和薄膜摩擦機(jī)理的轉(zhuǎn)變，以及FL-C:H碳膜的摩擦學(xué)性能對(duì)載荷的依賴性。

1 試驗(yàn)

1.1 薄膜制備

含氫碳膜采用英國(guó)teer公司出產(chǎn)的閉合場(chǎng)非平衡磁控濺射設(shè)備（UPD800）制備，設(shè)備裝有四個(gè)磁控濺射靶（兩個(gè)碳靶、兩個(gè)鉻靶），偏壓采用脈沖直流，靶電流是直流供應(yīng)。在制備薄膜之前，將基底（鏡面拋光的Si(100)和不銹鋼Sus-304）分別在去離子水和丙酮中超聲清洗約20 min，然后在氮?dú)庵懈稍?，去除表面的污染物，之后放入沉積室沉積。沉積過(guò)程共分成四步：1）抽真空至腔體氣壓為3×10?3Pa，通入氬氣，調(diào)節(jié)基底偏壓為400 V，進(jìn)行氬離子刻蝕，除去基底表面的污染物；2）調(diào)節(jié)鉻靶電流，沉積鉻打底層；3）調(diào)節(jié)碳靶與鉻靶電流，沉積過(guò)渡層，最后關(guān)閉鉻靶；4）通入1:1的氬氣和甲烷氣體，沉積氣壓0.18 Pa，調(diào)節(jié)碳靶濺射電流為3、7 A，分別沉積含氫薄膜及類富勒烯碳膜。

1.2 性能測(cè)試及表征手段

1）含氫碳膜的橫截面和表面形態(tài)采用SU8020場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡表征。薄膜表面的粗糙度采用原子力顯微鏡表征。碳膜的碳?xì)滏I結(jié)構(gòu)用Bruker的V70型傅里葉紅外光譜儀表征。將薄膜沉積于鹽片上，之后將鹽片溶解，得到的薄膜置于銅網(wǎng)上，采用FEI Tecnai G2 F20 S-TWIN型號(hào)的透射電子顯微鏡表征薄膜的顯微結(jié)構(gòu)。薄膜的硬度和彈性恢復(fù)性能采用CSM公司生產(chǎn)的納米壓痕儀表征，納米壓痕加載載荷為 5 mN，壓入深度不超過(guò)薄膜厚度的十分之一，以防止基底對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，彈性恢復(fù)采用(max?min)/max公式（max、min是在卸載時(shí)壓入薄膜的最大和最小深度）計(jì)算，每個(gè)樣品取五個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，并取平均值。碳膜的膜基結(jié)合力采用CSM的劃痕儀測(cè)試，加載載荷范圍為0~50 N，劃痕的長(zhǎng)度為5 mm，加載速度為25 N/min。

2）采用CSM球盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試兩種碳膜在大氣環(huán)境中（相對(duì)濕度25%）的摩擦磨損性能。相關(guān)測(cè)試參數(shù)如下：采用往復(fù)模式，對(duì)偶球?yàn)橹睆? mm的GCr15鋼球，振幅5 mm，摩擦速度14.14 mm/s（頻率9 Hz），載荷分別為5、10、15、20 N，測(cè)試時(shí)間為30 min。測(cè)試完成后，用奧林巴斯光學(xué)顯微鏡、MicroXAM非接觸式三維輪廓儀對(duì)碳膜摩擦后的磨斑及磨痕進(jìn)行觀察，并計(jì)算磨損率。用FEI Tecnai G2 F20 S-TWIN型號(hào)的透射電子顯微鏡表征磨屑的顯微結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果及分析

2.1 不同類型碳膜的結(jié)構(gòu)及表面與斷面形貌

圖1給出了兩種碳膜的高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）圖。從圖1a中可以看出，薄膜為無(wú)定形碳結(jié)構(gòu)，是典型的含氫非晶碳膜（a-C:H）；從圖1b可以看出，薄膜中存在大量明顯、彎曲的晶格條紋（如圖1b中紅色橢圓框中所示）。這些晶格條紋的間距為0.35 nm，與石墨的(002)面對(duì)應(yīng)，是彎曲的石墨片結(jié)構(gòu)，研究者稱之為類富勒烯碳膜（FL-C:H）[20-21]。

圖1 碳膜的高分辨電子顯微鏡圖

圖2所示是兩種碳膜的表面原子力顯微鏡圖（AFM）與斷面的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡圖（FESEM）。圖2a、b示出了兩種含氫碳膜的AFM形貌圖，從圖中可以看出，a-C:H薄膜表面有少量島狀凸起，其表面粗糙度為2.21 nm，而FL-C:H薄膜存在大量的缺陷，表面粗糙度較大，為9.86 nm。薄膜的表面粗糙度與其制備過(guò)程密切相關(guān)，在制備FL-C:H碳膜時(shí)的碳靶電流較高，等離子濺射產(chǎn)額較高，濺射出來(lái)的粒子沉積于基底，來(lái)不及擴(kuò)散，便被新的濺射出來(lái)的粒子覆蓋，所以其表面粗糙度較大[22]。從薄膜斷面的FESEM圖中可以看出（圖2c、d），兩種薄膜的結(jié)構(gòu)均勻，且致密性較好，不存在明顯的缺陷。值得注意的是，兩種薄膜都在Si基底與碳層之間出現(xiàn)了一層特殊的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)呈柱狀，連接了基底與上層碳膜，結(jié)構(gòu)致密，厚度大約為0.55 μm。用透射電子顯微鏡對(duì)薄膜的截面進(jìn)行了線掃描分析，薄膜截面各部分的元素種類變化已經(jīng)在圖2c中標(biāo)注，從元素變化可以看出，接近碳層的過(guò)渡層部分，碳元素和鉻元素的含量在不斷變化，無(wú)法確定元素組成，因此在圖中標(biāo)注為CrC。通過(guò)對(duì)柱狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了高分辨分析，如圖2c中的插圖，該柱狀物質(zhì)的晶面間距為0.203 nm，對(duì)應(yīng)Cr的(110)晶面[23]，因此過(guò)渡層是由Cr和CrC組成。該過(guò)渡層的形成有益于改善膜基結(jié)合力，從而改善薄膜的力學(xué)與摩擦學(xué)性能。

2.2 碳膜的碳?xì)滏I結(jié)構(gòu)

傅里葉紅外光譜是一種有效表征含氫碳膜中碳?xì)滏I結(jié)構(gòu)的方式。通過(guò)紅外光譜表征了兩種碳膜的碳?xì)滏I結(jié)構(gòu)，如圖3所示，a-C:H碳膜在2920 cm?1左右有一個(gè)明顯的不對(duì)稱吸收峰，說(shuō)明大部分氫是以sp3CH3和sp3CH2的形式存在[24]，雖然FL-C:H碳膜在此處的吸收峰不明顯，但放大之后，可以明顯看見(jiàn)在此處也存在不對(duì)稱的峰，峰位置相同，表明FL-C:H的碳?xì)滏I結(jié)構(gòu)與a-C:H碳膜無(wú)明顯差別。

圖2 碳膜表面AFM和截面FESEM圖

圖3 碳膜的傅里葉紅外光譜圖

2.3 不同類型碳膜的力學(xué)性能

從圖4a的納米硬度測(cè)試結(jié)果中可以看出，兩種碳膜具有相似的硬度，分別為12.1 GPa和12.2 GPa。碳膜的結(jié)合力用CSM的納米劃痕儀進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4b所示，兩類薄膜均在11 N左右出現(xiàn)少量剝落，在20 N左右完全剝落，說(shuō)明形成的類富勒烯結(jié)構(gòu)對(duì)含氫碳膜的機(jī)械及力學(xué)性能影響不大。

2.4 不同類型薄膜的摩擦學(xué)性能

圖5所示為碳膜在空氣氣氛中，當(dāng)載荷為5、20 N時(shí)的摩擦系數(shù)曲線與磨損率。當(dāng)載荷為5 N時(shí)，F(xiàn)L-C:H比a-C:H碳膜的摩擦系數(shù)高（圖5a），但FL-C:H碳膜在摩擦的后期，其摩擦系數(shù)有降低的趨勢(shì)，而二者磨損率基本相同（圖5c）。有趣的是，F(xiàn)L-C:H碳膜在載荷為20 N時(shí)的摩擦系數(shù)及磨損率均低于同等摩擦試驗(yàn)條件下的a-C:H碳膜（圖5b、c），不僅如此，F(xiàn)L-C:H碳膜在載荷為20 N時(shí)的磨損率還低于載荷為5 N時(shí)的磨損率。

圖4 碳膜的力學(xué)性能

圖6為兩種碳膜在不同的摩擦試驗(yàn)條件下，其磨痕的三維形貌圖及磨斑的光鏡圖。當(dāng)載荷為20 N時(shí)，磨痕寬度明顯增加。但是在大載荷和小載荷下，兩種碳膜磨痕的內(nèi)部都存在明顯的犁溝，表明兩種碳膜在不同的摩擦試驗(yàn)條件下的磨損機(jī)制都是以磨粒磨損為主。而且觀察磨斑發(fā)現(xiàn)，兩種碳膜在摩擦過(guò)程中均沒(méi)有形成致密的轉(zhuǎn)移膜。并且在小載荷時(shí)，磨斑較小，與磨痕的情況相互對(duì)應(yīng)。

圖5 不同載荷下碳膜的摩擦系數(shù)曲線及磨損率

圖6 不同摩擦條件下碳膜磨痕的三維形貌圖及磨斑的光學(xué)顯微鏡圖

從磨痕和磨斑的形貌很難分析出FL-C:H碳膜在低載荷下高磨損，在高載荷下低磨損的原因，而且a-C:H碳膜的摩擦學(xué)性能正好與FL-C:H碳膜的性能相反。因此用高分辨透射電子顯微鏡表征了兩種碳膜在不同摩擦條件下的磨屑結(jié)構(gòu)，如圖7所示。Liu等[25]指出，含氫碳膜在摩擦過(guò)程中于接觸界面產(chǎn)生的摩擦熱可能會(huì)導(dǎo)致薄膜的sp3鍵斷裂，向sp2碳轉(zhuǎn)變，并獲得較低的摩擦系數(shù)，這個(gè)過(guò)程稱為石墨化轉(zhuǎn)變。從圖7a可以看出，磨屑的結(jié)構(gòu)與原始薄膜的結(jié)構(gòu)相似，并沒(méi)有明顯的晶格條紋，說(shuō)明a-C:H碳膜在5 N載荷下的磨痕并沒(méi)有發(fā)生明顯的石墨化轉(zhuǎn)變，而當(dāng)載荷為20 N時(shí)，磨屑的透射高分辨圖像中出現(xiàn)了明顯的晶格條紋（圖7b），晶面間距為0.35 nm，因此可以看出20 N載荷時(shí)的磨屑的石墨化程度更明顯（如圖7c），說(shuō)明a-C:H碳膜在大載荷下更易發(fā)生石墨化的轉(zhuǎn)變。而對(duì)于FL-C:H碳膜，在5 N載荷下，磨屑中存在大量短程彎曲的石墨結(jié)構(gòu)，而在20 N載荷下，磨屑是類球狀納米結(jié)構(gòu)顆粒。因此可以說(shuō)明，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，F(xiàn)L-C:H碳膜更易在摩擦界面形成類球狀納米結(jié)構(gòu)顆粒，而且這種結(jié)構(gòu)的形成降低了薄膜的摩擦系數(shù)與磨損率。FL-C:H碳膜在較低載荷下的摩擦系數(shù)較高，是因?yàn)楸∧ぞ哂休^高的表面粗糙度，所以當(dāng)摩擦處于初期的時(shí)候，因?yàn)榇植诜宓南嗷ヒШ隙鸬亩w磨粒磨損增加，摩擦系數(shù)較大，而在摩擦的后期，磨痕相對(duì)原始表面的粗糙度降低，摩擦系數(shù)有一定程度的降低。在大載荷時(shí)，摩擦界面中形成了類球狀納米結(jié)構(gòu)顆粒，摩擦對(duì)偶與類球狀納米結(jié)構(gòu)顆粒表面形成非公度接觸和類球狀納米結(jié)構(gòu)顆粒的滾動(dòng)效應(yīng)，因此摩擦系數(shù)和磨損率降低[19]。

2.5 FL-C:H碳膜在不同載荷下的摩擦學(xué)性能

為了進(jìn)一步探究類球狀納米結(jié)構(gòu)顆粒形成對(duì)FL-C:H碳膜摩擦學(xué)性能的影響，研究了FL-C:H碳膜的摩擦系數(shù)與磨損率對(duì)載荷的依賴性。圖8所示為FL-C:H碳膜的摩擦系數(shù)與磨損率隨著載荷的變化情況。結(jié)果表明，隨著載荷從5 N增加至15 N，F(xiàn)L-C:H碳膜的摩擦系數(shù)從0.06降低至0.03，在載荷增加到15 N后，摩擦系數(shù)變化不大（如圖8a），磨損率隨著載荷的變化有相同的變化趨勢(shì)（如圖8b）。

進(jìn)一步研究了不同載荷下的磨屑結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)隨著載荷的增加，磨屑由大量短程彎曲的石墨結(jié)構(gòu)（5 N，如圖7b）轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)程彎曲的石墨結(jié)構(gòu)（10 N，如圖9a），當(dāng)載荷增加至15 N時(shí)，磨屑的結(jié)構(gòu)成為類球狀納米結(jié)構(gòu)顆粒，此時(shí)的摩擦系數(shù)、磨損率均處于相對(duì)較低的水平；隨著載荷的進(jìn)一步增加（20 N，如圖7d），磨屑的結(jié)構(gòu)依舊是類球狀納米結(jié)構(gòu)，磨損率也無(wú)明顯變化。

圖7 在不同摩擦試驗(yàn)條件下碳膜磨屑的HRTEM圖

圖9 在不同載荷下FL-C:H薄膜磨屑的HRTEM圖

在較高載荷下，摩擦界面形成了大量的類球狀納米顆粒，此時(shí)的摩擦系數(shù)與磨損率均降低，進(jìn)一步證明了在摩擦界面，類球狀納米顆粒形成對(duì)類富勒烯碳膜摩擦學(xué)性能的影響。龔珍斌等[19]指出這種類球狀納米顆粒的形成機(jī)制是：摩擦界面處原始結(jié)構(gòu)被破壞后的碳原子發(fā)生重排，形成石墨烯，生成的石墨烯邊緣活性很高，容易與非晶碳顆粒表面懸鍵發(fā)生鍵合，形成類球狀納米顆粒。從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，F(xiàn)L-C:H比a-C:H碳膜更易形成這種類球狀納米顆粒，研究認(rèn)為因?yàn)轭惛焕障┨寄づc石墨烯的結(jié)構(gòu)更加接近，因此它的碳原子被破壞重排，形成石墨烯更加容易。對(duì)于FL-C:H碳膜，類球狀納米顆粒的形成依賴于載荷的大小，因?yàn)榇筝d荷下的破壞作用大，而且會(huì)產(chǎn)生更多的摩擦熱，碳原子更易發(fā)生重排，形成石墨烯，因此大載荷下這種特殊結(jié)構(gòu)更容易形成。

3 結(jié)論

1）類富勒烯結(jié)構(gòu)對(duì)含氫碳膜的機(jī)械力學(xué)性能無(wú)明顯影響，但顯著改善了含氫碳膜在大載荷下的摩擦學(xué)性能。

2）小載荷下，a-C:H碳膜比FL-C:H碳膜的摩擦系數(shù)低，磨損率相似。而在大載荷時(shí)，F(xiàn)L-C:H碳膜具有相對(duì)較低的摩擦系數(shù)與磨損率，且其磨損率低于載荷為5 N時(shí)的磨損率。摩擦系數(shù)與磨損率的降低依賴于摩擦界面形成的類球狀納米結(jié)構(gòu)顆粒，F(xiàn)L-C:H碳膜比a-C:H碳膜更易在摩擦界面形成這種特殊的結(jié)構(gòu)。

3）在FL-C:H碳膜中，摩擦界面類球狀納米結(jié)構(gòu)顆粒的形成依賴于載荷的大小，隨著載荷的增加，摩擦系數(shù)與磨損率降低，類球狀納米結(jié)構(gòu)顆粒形成之后，摩擦系數(shù)及磨損率無(wú)明顯變化。因此，類富勒烯碳膜在摩擦過(guò)程中易于摩擦界面形成類球狀納米結(jié)構(gòu)顆粒是其具有優(yōu)異摩擦學(xué)性能的原因。

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Effect of Fullerene-like Structure on Tribological Properties of Hydrogenated Carbon Films

1,2,1,1,1,1,1

(1.Key Laboratory of Science and Technology on Wear and Protection of Materials, Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China; 2.Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The work aims to study the tribological properties and lubrication mechanism of fullerene-like structured carbon films. Fullerene-like structured carbon films (FL-C:H) and amorphous hydrogenated carbon films (a-C:H) were prepared by regulating current with closed field unbalanced reactive magnetron sputtering technique. Scanning electron microscope (SEM) and atomic force microscope (AFM) were used to observe the morphology of the surface and cross section of the film. The structure of C─H bond was analyzed by Fourier transformation infrared spectra (FT-IR). The mechanical and tribological properties of the film were evaluated by nano-indentation, scratch tester and friction and wear test. The structure of wear debris was analyzed by high resolution transmission electron microscope (HRTEM), and the morphologies of wear scar were analyzed by optical microscope and 3D non-contact surface pro?lometer. The fullerene-like structure did not have obvious effect on the mechanical properties of the carbon films, but it had a significant effect on tribological properties of the carbon films under the higher load. Under lower load (5 N), the friction coefficient of FL-C:H film was higher than that of a-C:H film. While under higher load (20 N), FL-C:H film had a relatively lower friction coefficient (0.03) and wear rate (4.8×10?8mm3/(m·N)) and spherical-like nanostructured particles were formed at the friction interface. The friction coefficient and wear rate of FL-C:H film decreased with the increase of load, and then tended to be stable. The spherical-like nanostructured particles were formed at the friction interface when the load was higher than 15 N. The formation of the spherical-like nanostructured particles reduces the friction coefficient and wear rate of the carbon films, while the FL-C:H film is easier to form the special structure at the friction interface than the a-C:H film. The formation of the spherical-like nanostructured particles also depends on the load, which is easier under higher load, so the fullerene-like carbon film is easier to maintain lower friction coefficient and wear rate under higher load.

fullerene-like structure; hydrogenated carbon films; reactive magnetron sputtering; tribological properties; spherical-like nanostructured particles

2020-05-04；

2020-05-24

PEI Lu-lu (1995—), Female, Doctoral students, Research focus: surface engineering.

吉利（1981—），男，博士，研究員，主要研究方向?yàn)楸砻婀こ膛c摩擦學(xué)。郵箱：jili@licp.cas.cn

Corresponding author：JI Li (1981—), Male, Doctor, Researcher, Research focus: surface engineering and tribology. E-mail: jili@licp.cas.cn

通訊作者：李紅軒（1978—），男，博士，研究員，主要研究方向?yàn)楸砻婀こ膛c摩擦學(xué)。郵箱：lihx@licp.cas.cn

Corresponding author：LI Hong-xuan (1978—), Male, Doctor, Researcher, Research focus: surface engineering and tribology. E-mail: lihx@ licp.cas.cn

裴露露, 吉利, 李紅軒, 等.類富勒烯結(jié)構(gòu)對(duì)含氫碳膜摩擦學(xué)性能的影響[J]. 表面技術(shù), 2020, 49(6): 68-75.

TG174.4；TH117

A

1001-3660(2020)06-0068-08

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.008

2020-05-04；

2020-05-24

國(guó)家自然科學(xué)基金（51775537，U1637204）；中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)（2016368）

Fund：Supported by the National Natural Science Foundation of China (51775537, U1637204) and the Chinese Academy of Sciences and Its Youth Innovation Promotion Association (2016368)

裴露露（1995—），女，博士研究生，主要研究方向?yàn)楸砻婀こ獭?/p>

PEI Lu-lu, JI Li, LI Hong-xuan, et al. Effect of fullerene-like structure on tribological properties of hydrogenated carbon films[J]. Surface technology, 2020, 49(6): 68-75.