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本文分别通过过渡族元素Ti、Cr掺杂及C掺杂,缓解非晶碳(a-C)薄膜及TiN、CrN薄膜的内应力;增加膜基间粘附强度;提高薄膜硬度;并系统地研究了过渡族元素Ti、Cr掺杂量对a-C薄膜及C掺杂量对TiN、CrN薄膜成分、结构、力学性能、水环境中摩擦学及模拟人体体液中电化学性能的影响;探讨了薄膜结构变化与摩擦机制之间的内在联系:1)采用非平衡磁控溅射制备了不同Ti掺杂量的Ti/a-C薄膜。当Ti靶电流为0.5A时,低含量的Ti以固溶体形式存在于Ti/a-C-0.5薄膜中,晶格畸变效应使薄膜的硬度提高至27.5GPa,缩短a-C薄膜的磨合距离并降低摩擦副的磨损率;而当Ti靶电流提高至1~2A时,类金属Ti和TiC颗粒形成并分布在a-C基材中,打断a-C薄膜中碳网的连续性,导致硬度下降至15~17.5GPa,且TiC颗粒的磨粒作用使Ti/a-C-1、Ti/a-C-1.5、Ti/a-C-2薄膜与SiC及Al2O3球在水中对磨时发生剥落失效。而Si3N4球水合反应生成的润滑膜和SUS440C球氧化反应生成的氧化物粘附在薄膜表面,使得Ti/a-C-1、Ti/a-C-1.5、Ti/a-C-2薄膜保持完好。2)采用非平衡磁控溅射制备了不同Cr掺杂量的Cr/a-C薄膜。当Cr靶电流为0.5~2A时,Cr/a-C薄膜中均形成了类金属Cr或碳化铬颗粒,打断了a-C薄膜碳网的连续性,使薄膜的硬度下降至11.6~13.7GPa。具有较好韧性的Cr/a-C-0.5薄膜缩短了a-C薄膜的磨合距离并降低摩擦副的磨损率;而当Cr靶电流为1~2A时,碳化铬颗粒易发生水合反应生成氧化铬,在对磨过程中氧化铬作为磨粒主导了磨损机制,无论对磨件为何种材料,均使Cr/a-C-1、Cr/a-C-1.5、Cr/a-C-2薄膜发生了剥落失效。3)采用非平衡磁控溅射制备了不同C含量的TiN(C)薄膜。由于a-CNx相的存在,使TiN(C)薄膜的硬度提高至27~32GPa,然而随着C掺杂量的提高,TiN(C)薄膜中逐渐形成a-C相,使得薄膜硬度呈线性下降趋势;因SiC、Si3N4球水合反应生成的润滑膜,TiN、TiN(C1)、TiN(C2)、TiN(C3)薄膜与之对磨时显示较低的摩擦系数且保持完好,而TiN(C4)薄膜由于硬度过低发生磨穿失效;Al2O3球的高硬度及稳定性,使TiN(C)薄膜与之对磨时都发生磨穿失效;而SUS440C球在水中容易发生粘着磨损,增大了摩擦界面的粗糙度,导致摩擦系数高且不稳定。4)采用非平衡磁控溅射制备了不同C含量的CrN(C)薄膜,随着C掺杂量的提高,薄膜中逐渐形成了a-CNx及碳化铬晶相。后者在对磨过程中易发生水合反应,生成具有磨粒作用的Cr2O3,因此当CrN(C)薄膜与高硬度的SiC及Al2O3球对磨时,CrN(C)薄膜均发生磨穿失效;由于Si3N4球在水中易发生水合反应,生成具有润滑效果的氧化硅胶状膜,保护了CrN(C1)薄膜,而CrN(C2)、CrN(C3)、CrN(C4)薄膜中较多的碳化铬生成的Cr2O3磨粒打破了氧化硅胶状膜的保护作用,使薄膜发生磨穿失效;类似的,SUS440C在水中易发生氧化反应,生成的氧化物粘附在薄膜表面,保护了CrN(C1)薄膜,而CrN(C2)、CrN(C3)、CrN(C4)薄膜同样发生磨穿失效。5)Ti/a-C及Cr/a-C薄膜在模拟人体体液中均能起到保护316L不锈钢的作用。随着Ti掺杂量的提高,Ti/a-C薄膜中sp2键含量提高,增加了薄膜的导电性,且薄膜致密度下降,导致薄膜呈现逐渐削弱的电化学特性,而随着Cr掺杂量的提高,Cr/a-C薄膜中sp3键含量提高,增加了薄膜的绝缘性,促使薄膜呈现逐渐增强的电化学特性;CNx相的生成,使TiN(C1)、TiN(C2)、TiN(C3)薄膜在模拟人体体液中表现出优于316L不锈钢的抗腐蚀特性,而TiN薄膜稀疏的表面形貌及TiN(C4)薄膜中高含量的a-C,削弱了其在模拟人体体液中的抗腐蚀特性。类似的,CrN、CrN(C1)、CrN(C2)、CrN(C3)薄膜因其致密的表面形貌及氧化铬钝化膜,在模拟人体体液中表现出优于316L的抗腐蚀特性,而CrN(C4)薄膜中高含量的a-C,削弱其在模拟人体体液中的抗腐蚀特性。