Si3N4陶瓷基底的交替多層金剛石薄膜摩擦學性能

摘要 為避免Si3N4材料因摩擦磨損造成的失效，利用熱絲化學氣相沉積技術(shù)在Si3N4基底表面沉積單層和交替多層的金剛石薄膜，采用X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡和拉曼光譜儀對制備的金剛石薄膜的形核、薄膜質(zhì)量、表面和截面形貌、表面粗糙度等進行表征；利用“球?盤”往復式摩擦磨損實驗機測試金剛石薄膜的摩擦系數(shù)并計算其磨損率，分析不同結(jié)構(gòu)薄膜的摩擦磨損性能。結(jié)果表明：相比于單層金剛石薄膜，交替多層膜結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出更好的摩擦學性能，當交替次數(shù)為4、多層結(jié)構(gòu)層數(shù)為8時，薄膜的摩擦系數(shù)和磨損率最低，分別為0.016和1.042×10?7 mm3/（N·m）；但隨著薄膜的多層結(jié)構(gòu)層數(shù)增加，層間厚度減小，摩擦過程中薄膜發(fā)生破裂和剝落現(xiàn)象，薄膜與基底的結(jié)合強度降低，薄膜質(zhì)量下降，且其摩擦系數(shù)增大為0.042，磨損率增大為4.661×10?7 mm3/（N·m），薄膜的耐磨性下降。

關(guān)鍵詞 熱絲化學氣相沉積法；金剛石薄膜；氮化硅；摩擦學性能

中圖分類號 TQ164; TQ174 文獻標志碼 A

文章編號 1006-852X（2025）01-0021-10

氮化硅（Si3N4）陶瓷因其硬度高、耐腐蝕性能好、化學穩(wěn)定性好等獨特的性能而被公認為是最有發(fā)展前景的抗磨損材料之一[1]。然而，Si3N4容易與周圍的潮濕空氣發(fā)生氧化反應，生成水合二氧化硅。而且，這種氧化行為在摩擦過程中由于力學和化學的共同作用而變得更加強烈，破壞了Si3N4的穩(wěn)定性，造成Si3N4陶瓷在摩擦過程中的嚴重磨損。研究表明[2]，在Si3N4陶瓷零件表面沉積薄膜可有效改善零件的摩擦學性能。

金剛石薄膜由于其優(yōu)異的導熱性、耐腐蝕性、耐磨性和表面穩(wěn)定性，在機械和摩擦領(lǐng)域的高性能工程表面得到廣泛的應用[3-4]。其中，化學氣相沉積（chem-ical vapor deposition，CVD）金剛石薄膜因其優(yōu)異的力學性能而引起了人們的關(guān)注，其低摩擦系數(shù)和高耐磨性使其成為工程領(lǐng)域的最佳候選材料[5]。而熱絲化學氣相沉積（hot filament chemical vapor deposition，HFCVD）技術(shù)由于設(shè)備簡單、操作方便、成本低廉等優(yōu)點，已成為最常用的鍍膜技術(shù)之一[6]。其原理是通過襯底上方的金屬絲將反應氣體（CH4、C2H2、C2H4等）分解成含碳基團，分解的含碳基團再向金剛石相和石墨相等轉(zhuǎn)換。Si3N4與金剛石的熱膨脹系數(shù)極為接近，這使得其作為金剛石薄膜生長用基底時，兩者間的熱膨脹應力較低，從而提高了膜-基結(jié)合力[7]。

自19世紀60年代第一次成功合成金剛石以來，國內(nèi)外專家對金剛石薄膜開展了大量的研究，分析了CH4濃度、氣體壓力、基底溫度、基底表面預處理工藝等因素對金剛石薄膜性能的影響[8]。目前，許多學者已成功合成出性能優(yōu)異的微米金剛石薄膜、納米金剛石薄膜和超納米金剛石薄膜[9]。

近年來的研究發(fā)現(xiàn)，多層膜結(jié)構(gòu)可以有效改善薄膜的性能。CHEN等[10]在Si3N4襯底上沉積了單層微米金剛石薄膜、單層納米金剛石薄膜和多層金剛石薄膜，并與Si3N4球進行了干摩擦實驗，研究發(fā)現(xiàn)：多層金剛石薄膜的摩擦系數(shù)最小，為0.07；且多層金剛石薄膜不僅提高了襯底的耐磨性，而且降低了襯底的磨損率。YAN等[11]在CH4濃度（體積分數(shù)）為1%、2%、3%、4%和5%條件下制備了單層金剛石薄膜和3種結(jié)構(gòu)不同的多層金剛石薄膜，發(fā)現(xiàn)多層金剛石薄膜微納米聯(lián)鎖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以增強薄膜的黏結(jié)性和內(nèi)聚性，增強了薄膜的力學性能和摩擦磨損性能。SALGUEIREDO等[12]設(shè)計了2種多層金剛石薄膜，研究發(fā)現(xiàn)：4層金剛石薄膜在200 N的高負載條件下，其摩擦系數(shù)非常低，僅為0.02～0.09，并且沒有發(fā)生薄膜破裂和剝落現(xiàn)象；與單層薄膜相比，4層金剛石薄膜有著更小的殘余應力。因此，多層金剛石薄膜相比于單層金剛石薄膜有著更優(yōu)異的性能。然而，大多數(shù)研究沒有比較層間厚度不同的交替多層薄膜間的摩擦磨損性能差異。

為此，利用HFCVD技術(shù)在Si3N4基底上制備交替多層金剛石薄膜。通過改變CH4濃度和基底溫度獲得總厚度相同、層間厚度不同的交替多層金剛石薄膜，并對薄膜的摩擦磨損性能進行分析，探究層間厚度對多層金剛石薄膜耐磨性的影響，找到最佳的交替多層金剛石薄膜結(jié)構(gòu)。

1實驗

1.1實驗步驟及參數(shù)

實驗采用HFCVD技術(shù)在Si3N4基底（φ20 mm×2 mm）上沉積不同結(jié)構(gòu)的金剛石薄膜，分別為微米金剛石薄膜（MCD）、納米金剛石薄膜（NCD）和由微米金剛石層與納米金剛石層組成的交替多層金剛石薄膜，使用的反應氣體為CH4和H2，熱絲采用6根直徑為0.5 mm的鉭絲。通過在實驗過程中改變CH4濃度和基底溫度，沉積出薄膜總厚度為3.6μm，層間厚度不同的交替多層金剛石薄膜，薄膜結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

在沉積之前，為了去除Si3N4表面的雜質(zhì)，提高金剛石的成核密度，需要對Si3N4基底進行預處理[13]。首先按順序用丙酮、去離子水、無水乙醇對基底樣品超聲清洗15 min；其次將基底樣品放入金剛石懸浮液（水、金剛石質(zhì)量比為100∶1）中超聲30 min，其金剛石粒徑為（3.3±0.5）nm，金剛石濃度為0.025 g/mL；最后將基底樣品放入無水乙醇中超聲3 min?；最A處理后，將其放在沉積設(shè)備的反應臺上，控制熱絲與基底距離在6.5～7.0 mm，反應腔室內(nèi)氣體壓力為1 kPa，熱絲溫度為（2 500±50）℃，在此條件下進行金剛石薄膜的沉積。

1.2結(jié)構(gòu)表征

由于金剛石薄膜的晶粒尺寸、晶面取向、非金剛石相和表面粗糙度等因素都對薄膜的摩擦磨損性能有重要影響，所以在對薄膜進行摩擦磨損實驗之前，需要對其結(jié)構(gòu)特征進行表征。采用S-4800型掃描電鏡對金剛石薄膜結(jié)構(gòu)進行表征，其工作距離為8 mm，施加電壓為10.0 kV，觀測金剛石薄膜的表面和截面形貌、金剛石薄膜的厚度，分析金剛石薄膜的晶粒大小。采用XRD-7000型X射線衍射儀對金剛石薄膜物相進行定性分析，測試時采用銅Kα線，其波長為1.546?，并觀察金剛石薄膜中物相的晶面取向。采用LabRAM HR Evolution系列顯微共聚焦拉曼光譜儀對薄膜的相結(jié)構(gòu)進行分析，通過特征峰來確定金剛石相、非金剛石相以及石墨相的存在，并根據(jù)金剛石特征峰和其理論特征峰的位移偏差計算薄膜的內(nèi)應力。采用Innova型原子力顯微鏡（atomic forcemicroscope，AFM）觀察金剛石薄膜表面的三維形貌并測量薄膜的表面粗糙度，檢測范圍為5μm×5μm。

1.3摩擦磨損性能測試

采用Rtec MFT-5000“球?盤”往復式摩擦磨損試驗機，對不同參數(shù)下制備的金剛石薄膜進行摩擦磨損性能檢測。在室溫條件下，對磨副采用直徑為6 mm的Si3N4陶瓷球，設(shè)定法向載荷為15 N，移動距離為10 mm，頻率為3 Hz，每個樣品測試60 min后得到摩擦系數(shù)曲線。實驗結(jié)束后采用S-4800型掃描電鏡觀察金剛石薄膜表面的磨損形貌，通過VHX-1000型光學顯微鏡測量Si3N4陶瓷球表面的磨損寬度并計算其磨損體積。通過金剛石薄膜的摩擦磨損實驗，分析Si3N4陶瓷基底不同層間厚度的交替多層金剛石薄膜摩擦學性能的差異。

2結(jié)果與討論

2.1形貌分析

圖2是不同結(jié)構(gòu)金剛石薄膜的XRD圖譜，圖中標識*號的是基底Si3N4的特征峰，衍射角（2θ）為43.9°和75.3°的是金剛石（111）面和（220）面的衍射峰[14]。如圖2所示：樣品A1的金剛石（111）衍射峰要比樣品A2的更加尖銳，說明隨著CH4濃度的增大，金剛石晶粒尺寸減小，金剛石衍射峰強度下降，薄膜質(zhì)量下降，可能還伴隨著非金剛石碳的產(chǎn)生；交替多層金剛石薄膜樣品B1～B6的衍射結(jié)果較為接近，說明薄膜內(nèi)部的結(jié)構(gòu)相似，交替多層結(jié)構(gòu)對金剛石晶粒的尺寸和晶面的取向影響不大。

為了進一步探究多層金剛石薄膜與單層金剛石薄膜的性能差異，分析不同結(jié)構(gòu)金剛石薄膜（111）衍射峰與無約束峰位置的關(guān)系，結(jié)果如圖3所示，圖中的無約束峰位置用虛線表示。從圖3中可以看出：CH4濃度較低的A1樣品的峰位相對于無約束峰位有更高的角位置，這表明薄膜內(nèi)具有殘余拉應力；相反的，A2樣品的峰位相對于無約束峰位有更低的角位置，這表明薄膜內(nèi)具有殘余壓應力；交替多層金剛石薄膜（111）衍射峰更加靠近無約束峰位置，這表明與單層金剛石薄膜相比，交替多層金剛石薄膜內(nèi)部有更低的殘余應力。這是因為MCD與NCD表現(xiàn)出的應變性質(zhì)相反，而交替多層金剛石薄膜微納米互鎖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可有效中和這2種薄膜的內(nèi)應力。同時，樣品B1、B2和B5表現(xiàn)出壓應力，而B3、B4和B6則表現(xiàn)出拉應力。這是由于沉積過程中頻繁改變CH4濃度，而CH4濃度的變化是一個漸變的過程，在短時間內(nèi)，反應腔內(nèi)各部位的CH4濃度不同，導致樣品表面各部位的CH4濃度也不同，微米層與納米層接觸時產(chǎn)生的應力對薄膜內(nèi)應力的影響是不可控的，所以薄膜表現(xiàn)出不同的拉應力與壓應力。

圖4是不同結(jié)構(gòu)金剛石薄膜表面的AFM圖像。圖4中：A1的CH4濃度為1.0%，其薄膜表面的金剛石為柱狀生長，表面粗糙度大，為50.2 nm；當CH4濃度提高到5.0%的A2樣品時，金剛石晶粒減小，薄膜表面粗糙度變小，為27.5 nm，這表明隨著CH4濃度的升高，金剛石晶粒再形核動力大于金剛石微晶外延生長的動力，其表面呈現(xiàn)出由大量的納米晶金剛石晶粒聚集而成的團簇菜花狀結(jié)構(gòu)。另外，由A1和A2可以發(fā)現(xiàn)：薄膜表面復映了基底的表面形貌；但對于B1～B6的多層金剛石薄膜，Si3N4基底表面的加工痕跡被覆蓋，其表層的納米層較為平整，表面粗糙度Ra分別為28.7、27.4、25.8、28.3、26.5和47.0 nm。B1、B2樣品的交替次數(shù)少，表層納米層生長較厚，表面晶粒尺寸小，所以呈現(xiàn)出較低的表面粗糙度；而當交替次數(shù)較少時，金剛石薄膜表面粗糙度變化不大。但交替次數(shù)較多時，如樣品B6，其表面粗糙度達到了47.0 nm。這是由于交替次數(shù)較多，表層納米層厚度較薄，晶粒小的納米層金剛石無法完全覆蓋第二層晶粒較大的微米層金剛石，使部分微米金剛石裸露出來，導致薄膜表面粗糙度較大。

圖5是不同結(jié)構(gòu)金剛石薄膜的表面和截面形貌，每個分圖的上半部分是表面形貌，下半部分是截面形貌。從圖5中可以看出：由于B1～B5的交替次數(shù)相對較少，微米層與納米層有明顯分層，且薄膜表面都較為平整；而B6的截面圖中交替結(jié)構(gòu)不明顯，且薄膜表面凹凸不平，說明此參數(shù)下沉積的12層交替多層金剛石薄膜質(zhì)量較差。同時，AFM的圖像結(jié)果與金剛石薄膜的表面和截面形貌一致。

利用拉曼圖譜分析金剛石薄膜的晶體質(zhì)量和殘余應力。圖6是不同結(jié)構(gòu)金剛石薄膜的拉曼光譜及其分峰擬合圖譜。圖6中：金剛石的拉曼峰可以在1 332 cm?1處觀測到；在1 150 cm?1和1 480 cm?1處的2個寬峰v1和v3，反映了反式聚乙炔的含量；而在1 350 cm?1和1 580 cm?1處的D峰和G峰表明薄膜內(nèi)存在非晶相和石墨相。薄膜中的殘余應力σ可通過金剛石峰的位移偏移量計算得到[15]：

σ=-0：567（v-v0）（1）

其中：v為薄膜中實際金剛石峰的位置；v0為1 332 cm?1處金剛石峰的標準位置。如果計算結(jié)果為負，則為壓應力，反之則為拉應力。

從圖6中可以看出：A1樣品中的金剛石特征峰較尖銳，說明在此條件下制備出的金剛石薄膜質(zhì)量較高[16]；當CH4濃度升高到5.0%時，氫離子的刻蝕作用降低，A2薄膜中非金剛石相含量增多，薄膜表面形核概率增加，金剛石晶粒細化，薄膜質(zhì)量下降，位于1 332 cm?1附近的特征峰強度大幅度降低，金剛石含量下降；同時，由于交替多層膜表層沉積的是與A2樣品相同的納米金剛石層，但厚度不同，因此交替多層金剛石薄膜B1～B6的拉曼光譜與A2樣品的較為相似，但金剛石拉曼峰位移不同。樣品B2的金剛石特征峰含量較低，說明薄膜金剛石含量較少，薄膜金剛石結(jié)晶質(zhì)量較差。另外，B3和B4樣品的金剛石峰半高寬（full width at half maximum，F(xiàn)WHM）較窄，說明其薄膜金剛石結(jié)晶質(zhì)量較好。且交替多層金剛石薄膜在1 350 cm?1和1 580 cm?1處的峰強度較高，說明薄膜內(nèi)的非晶相和石墨相較多，而薄膜中的石墨相在薄膜的摩擦過程中可以起到潤滑作用，減小薄膜的摩擦系數(shù)，增強薄膜的耐磨性。

表2是基于拉曼分析的不同結(jié)構(gòu)金剛石薄膜殘余應力。由表2可知：A1的殘余應力為拉應力，其值為0.48 GPa；A2的殘余應力為壓應力，其值為1.28 GPa。隨著CH4濃度增加，殘余應力值也逐漸增大，由A2的拉曼光譜圖可以看出，薄膜中反式聚乙炔峰較高，薄膜中的納米晶粒存在更多晶界和缺陷，導致其殘余應力增大。多層薄膜B1～B6的殘余應力大小分別為?1.49、?0.79、0.39、0.43、?0.90和0.72 GPa，應力的類別與圖3的分析結(jié)果一致。同時，與單層金剛石薄膜相比，多層薄膜結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出更小的殘余應力，這是因為交替多層結(jié)構(gòu)使得薄膜同時具有MCD和NCD的特性，在保證薄膜結(jié)合力的同時，增加了薄膜的韌性，降低了薄膜的內(nèi)應力。其中，B3、B4表現(xiàn)出更低的殘余應力，而B1、B2、B5和B6的殘余應力較大（絕對值），說明B1、B2、B5和B6中薄膜晶界和缺陷較多，過多的晶界阻礙了位錯在晶界上的移動，導致sp3鍵在高溫下退化時產(chǎn)生了更大的殘余應力。

2.2金剛石薄膜的摩擦學性能

圖7顯示了在室溫條件下，單層和交替多層金剛石薄膜與Si3N4陶瓷球進行摩擦磨損實驗時的摩擦系數(shù)隨滑動時間的變化曲線。圖7中：在實驗初期，每個摩擦系數(shù)曲線都顯示出一個非常高的初始峰值，這是對磨球與薄膜表面上微凸體之間的機械鎖合效應以及金剛石晶粒與對磨球之間的犁削效應所導致的，且初始摩擦系數(shù)與金剛石薄膜的表面形貌和表面粗糙度有關(guān)；隨著滑動的進行，凹凸不平的薄膜表面會被磨平，從而逐漸形成一個相對光滑和平衡的滑動區(qū)域，使摩擦系數(shù)大幅降低且變化平穩(wěn)。

圖8是金剛石薄膜與Si3N4陶瓷球摩擦系數(shù)的平均值。如圖7、圖8所示：對于A1、A2的單層薄膜結(jié)構(gòu)，MCD的摩擦系數(shù)一直高于NCD的，這是因為MCD中晶粒的鋒利邊緣與對磨球發(fā)生犁削作用；但在摩擦后期呈現(xiàn)出明顯的摩擦系數(shù)波動，說明此時金剛石薄膜與對磨副產(chǎn)生的摩擦系數(shù)高且波動明顯，摩擦過程不穩(wěn)定；而NCD，由于其表面是由較小的納米晶粒堆積形成的團簇，表面粗糙度小，所以初始摩擦系數(shù)較??；且根據(jù)圖6的拉曼圖譜的結(jié)果，NCD中存在較高含量的石墨相，石墨的自潤滑性能在摩擦磨損過程中為薄膜提供了減磨作用，降低了摩擦系數(shù)[17]。

對于交替多層金剛石薄膜B1、B2、B3和B4，其摩擦過程都較為平穩(wěn)，在50 s左右進入了穩(wěn)定磨損階段，摩擦系數(shù)總體呈現(xiàn)下降趨勢，且摩擦系數(shù)明顯低于單層金剛石薄膜的。這說明薄膜內(nèi)存在的磨損碎片、磨粒和凹槽等情況較少，對摩擦過程沒有產(chǎn)生較大的影響，也不存在薄膜的脫落現(xiàn)象。在進入穩(wěn)定磨損階段后，摩擦系數(shù)曲線有小幅度的上下波動。這是因為摩擦磨損進行到微米金剛石層時，柱狀晶粒與對磨球?qū)δ?，導致摩擦系?shù)小幅度上升，這個上升過程持續(xù)的時間與微米金剛石層厚度有關(guān)；隨后摩擦磨損又進行到納米金剛石層，摩擦系數(shù)再次下降，如此往復。在整個摩擦過程中，由于石墨相含量增多，整個摩擦系數(shù)曲線呈下降趨勢；且隨著交替次數(shù)的增多，平均摩擦系數(shù)呈下降趨勢。

當交替次數(shù)較多時，B5和B6表現(xiàn)出較高的摩擦系數(shù)，且其后期呈現(xiàn)出明顯的摩擦系數(shù)波動，摩擦過程不穩(wěn)定。這是由于多層結(jié)構(gòu)表面的納米金剛石層厚度較薄，在薄膜與摩擦副磨損初期，納米金剛石層被快速磨損剝落，且石墨相含量較低，使得其摩擦行為其實是摩擦副與微米金剛石層之間產(chǎn)生的。并且由于表面納米金剛石層的脫落，一部分薄膜碎片會在往復運動中從磨損軌道排去，但仍會有一部分殘余的顆粒存在于對磨面，再次對磨時相互發(fā)生碰撞，重復磨削，加劇接觸面的磨損，導致摩擦系數(shù)突變，這是典型的磨粒磨損過程。經(jīng)過一段時間的滑動（1 700 s）后，這些尖銳的碎片從表面排出，金剛石薄膜與對磨球之間逐漸形成了相對光滑的滑動界面，之后摩擦系數(shù)略有增加并趨于平穩(wěn)。

圖9是采用電子顯微鏡觀察到的不同結(jié)構(gòu)金剛石薄膜表面的磨損形貌。如圖9所示：A1樣品由于是晶粒尺寸較大的微米金剛石，其（111）晶面的鋒利邊參與到摩擦行為中，犁削作用較為明顯，一些金剛石顆粒嵌在摩擦表面，會產(chǎn)生一定的磨損，加劇穩(wěn)定階段摩擦系數(shù)的波動，導致其摩擦系數(shù)增加[18]；A2樣品的納米金剛石晶粒成團簇狀，與對磨副摩擦時有著更大的接觸面積，所以其磨損量較大，納米晶團簇被磨平，形成光滑的摩擦面，且部分Si3N4基底裸露出來；而對于交替多層薄膜結(jié)構(gòu)，樣品B1和B2在摩擦后，小部分金剛石薄膜發(fā)生破裂，且表層納米金剛石顆粒較多，使磨損率與摩擦系數(shù)增加；樣品B3和B4在摩擦后表面被磨平，殘余的金剛石顆粒也較少，這是由于此交替結(jié)構(gòu)下薄膜的質(zhì)量較好，晶粒的耐磨能力較強，在摩擦過程中sp2石墨相含量增加，降低了摩擦系數(shù)，且微米晶/納米晶的層間結(jié)構(gòu)較為緊密，薄膜結(jié)合力更好；樣品B5和B6雖然石墨相含量較多，但薄膜質(zhì)量較差，薄膜發(fā)生剝落，導致摩擦過程中的磨損率升高。同時，樣品B6在穩(wěn)定摩擦階段，其摩擦系數(shù)增大且有較大的波動，磨損量增加。這是由于其薄膜質(zhì)量較差，摩擦過程中薄膜發(fā)生剝落，裸露出部分Si3N4基底，變成了Si3N4基底與陶瓷球的對磨，導致其摩擦系數(shù)增大，磨損量增加。

圖10是金剛石薄膜和Si3N4陶瓷球的磨損率。圖10顯示，金剛石薄膜和Si3N4陶瓷球的磨損率有較大差異。當CH4濃度從1.0%增加到5.0%時，單層金剛石薄膜的磨損率從2.752×10?7 mm3/（N·m）增加到4.336×10?7mm3/（N·m）。由圖6的拉曼結(jié)果顯示：NCD中石墨含量較多，而石墨可以降低磨損率，但由于NCD硬度較低，結(jié)合強度較差，在摩擦磨損早期存在薄膜剝落現(xiàn)象，使金剛石顆粒參與后續(xù)的摩擦行為，導致磨損率升高[19]。B1～B4的多層薄膜結(jié)構(gòu)的磨損率普遍低于單層薄膜結(jié)構(gòu)的，說明多層薄膜結(jié)構(gòu)相比于單層薄膜結(jié)構(gòu)可以更加有效地降低磨損率。這是因為多層薄膜表面的納米結(jié)構(gòu)粗糙度小，石墨含量高，使得薄膜的磨損率較低，而底層的微米結(jié)構(gòu)增強了薄膜與基底的結(jié)合能力，使得薄膜不易發(fā)生破裂或剝落現(xiàn)象。但在B5、B6的摩擦過程中，表面的納米金剛石層較薄，薄膜質(zhì)量較差，發(fā)生薄膜剝落現(xiàn)象，金剛石顆粒參與了摩擦行為，導致其磨損率增大。Si3N4陶瓷球磨損率的變化趨勢與薄膜磨損率的變化趨勢基本一致。

3結(jié)論

采用HFCVD技術(shù)在Si3N4基底表面沉積了2種單層和6種交替多層金剛石薄膜。利用“球?盤”往復式摩擦磨損實驗機對不同參數(shù)下制備的單層和交替多層金剛石薄膜在干摩擦條件下的摩擦學性能進行研究，得出如下結(jié)論：

隨著交替次數(shù)增加，薄膜的摩擦系數(shù)和磨損率都呈下降趨勢，這是因為交替多層薄膜結(jié)構(gòu)具備了微米金剛石和納米金剛石的特性，底層的微米金剛石層增大了薄膜與基底的結(jié)合強度，使其在摩擦過程中不易發(fā)生破裂和剝落現(xiàn)象；而表層的納米金剛石層晶粒細小，粗糙度小，石墨相較多，在摩擦過程中起到自潤滑作用，使得薄膜磨損率降低。并且，表層的納米結(jié)構(gòu)在磨損初期會減弱對磨副的犁削作用和機械鎖合效應，減小薄膜破裂或剝落的風險。

當交替次數(shù)為4、多層膜層數(shù)為8時（B4樣品），交替多層金剛石薄膜表現(xiàn)出較好的耐磨性，薄膜的表面粗糙度較低，殘余內(nèi)應力較小，平均摩擦系數(shù)和磨損率最低，分別為0.016和1.042×10?7 mm3/（N·m）。

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作者簡介

王賀，男，1981年生，副教授、碩士研究生導師。主要研究方向：薄膜制備、陶瓷材料精密加工、掘進機刀具系統(tǒng)等。

E-mail：wanghe9095@163.com

通信作者：閆廣宇，男，1991年生，工學博士、碩士研究生導師。主要研究方向：功能薄膜制備技術(shù)、硬脆材料精密加工技術(shù)、超精密陶瓷軸承等。E-mail：775083630@qq.com

（編輯：周萬里）

Tribological performances of alternating multilayer diamond films on Si3N4"ceramic substrates

WANG He1，2，3，ZHAO Haigen1，2，3，YAN Guangyu1，2，3

（1.National-Local Joint Engineering Laboratory of NC Machining Equipment and Technology of High-Grade Stone，Shenyang 110168，China）

（2.Joint International Research Laboratory of Modern Construction Engineering Equipment and Technology，Shenyang 110168，China）

（3.School of Mechanical Engineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang 110168，China）

Abstract Objectives：With the development of science and technology，silicon nitride ceramics have excellent phys-ical and chemical properties such as high strength，high hardness，high temperature resistance，corrosion resistance，and wear resistance.They can maintain good mechanical properties and chemical stability under harsh working conditions，and have been widely used in many fields.However，silicon nitride has great brittleness，low toughness，and poor plastic deformation ability，which makes it prone to cracking and brittle fracture under the action of stress.At the same time，the friction coefficient of silicon nitride ceramics，as wear-resistant devices，is high under dry friction conditions，and the loss caused by friction and wear will reduce its accuracy and affect the working stability of parts.The diamond film has the properties such as high hardness，low thermal expansion coefficient，low friction coefficient，and excellent chemical stability，making it an excellent anti-wear and wear-resistant film material.However，the two common single-layer dia-mond films have their own shortcomings.Therefore，diamond films with multilayer structures are designed and pre-pared on silicon nitride substrates to improve the tribological properties of silicon nitride ceramics.Methods：The single-layer and alternate multilayer diamond films with different structures were designed and prepared on silicon nitride ceramic substrates by hot filament chemical vapor deposition（HFCVD）technique.The surface and the cross-section morphology，crystal quality，crystal orientation，surface roughness，and phase compositions of single and alternate mul-tilayer diamond films were analyzed by scanning electron microscope，X-ray diffractometer，atomic force microscope，and Raman spectroscopy.Results：（1）For alternating multilayer films，the surfaces exhibit clustered nano-diamonds.When the number of alternations is small，the interlayer thickness is thick，the thin film is clearly layered，the layers are tightly connected，the surface roughness is small，and the film quality is good.When the number of alternations is more，the interlayer thickness is thin，the film does not have obvious layering，the surface roughness is large，and the film qual-ity is poor.The Raman spectra of the alternating multilayer structures are similar to those of the nano-diamond film，with a higher content of trans-polyacetylene and non-diamond phases in the film.（2）For alternating multilayer struc-tured films，the friction coefficients are generally lower than those of single-layer diamond films.When the number of alternations is small，the surface roughness of the film is reduced by the nano-diamond layer on the surface，and the tightly connected micro/nano interlocking structures and the micro-diamond layer at the bottom enhance the cohesion and bonding force of the film.The friction process of the film is stable，the wear rate of the film is low，and there is less film detachment during the friction process.When the number of alternations is high，the quality of the film is poor，and during the friction process，the film falls off and breaks，and the debris enters the friction surface of the film.The fric-tion coefficient fluctuates greatly，and the wear rate of the film is high.When the number of alternations is 4 and the number of film layers is 8，the film has the lowest average friction coefficient and wear rate，which are 0.016 and 1.04×10?7 mm3/（N·m），respectively.Conclusions：The surface morphology of diamond films has a significant impact on their tribological properties.The sharp（111）edge of the micro diamond film surface generates a strong plowing effect when interacting with the grinding ball，making it easier for diamond abrasive particles and debris to enter the grinding surface，resulting in an increase in friction coefficient and wear rate.The nano-grain size on the surface of the nano-dia-mond film is relatively small and has no sharp edges，which reduces the friction coefficient of the film.However，its bonding ability with the substrate is poor，and the partial detachment of the film under the shear stress increases the wear rate.The friction coefficient and the wear rate of alternating multilayer structures are generally reduced compared to single-layer diamond films.The reason is that the nano-diamond layer on the surface of the alternating structure reduces the surface roughness of the film，enhances its toughness，and the columnar growth of micro-diamond grains at the bot-tom of the film enhances the bonding performance between the film and the substrate，making the film less prone to peeling during friction.The crystalline quality of alternating multilayer thin films with thin interlayer thickness is poor，and the film rupture and peeling are prone to occur during the friction process，thereby increasing the friction coeffi-cient and the wear rate.A reasonable alternating multilayer structure design can significantly reduce the maximum fric-tion coefficient，the average friction coefficient，and the wear rate of the film during the friction process，reduce the plowing effect between the film and the wear pair，and reduce the wear scar area，thus improving the wear resistance of the film.

Key words hot filament chemical vapor deposition（HFCVD）；diamond films；silicon nitride；tribological perform-ances