非晶碳膜具有一系列优异的性能,如高的硬度、低的摩擦系数、优异的耐腐蚀性、良好的生物相容性和绝缘性以及较宽的禁带宽度,在机械、光学、电学、生物、装饰等领域具有广阔的应用前景。但它的性能受其与基体材料的结合影响较大,基体材料的热膨胀系数及与碳间的成键作用决定了薄膜与基体间的结合力大小,进而影响了碳膜的改性作用。一般可以通过制备过渡层或梯度层的办法来改善非晶碳膜与基体间的结合力大小。Ta为亲碳元素,做过渡层可以实现过渡层与非晶碳膜的良好结合。同时,采用双辉等离子合金化技术在金属基体表面制备Ta过渡层,Ta和基体之间为冶金结合,结合强度较高。因此,本文通过双辉等离子合金化技术制备并优化钽过渡层,研究了不同合金化时间下Ta过渡层对非晶碳膜与不同基体(铜、Ti6Al4V合金和304不锈钢)间的结合方式、结合强度及其摩擦学性能的影响。研究主要结果如下:(1)对于铜基体,a-C/Ta/Cu样品的表面形貌以胞状为主,随着Ta合金化时间的延长,过渡层厚度的增加,样品的表面的胞状突起半径增加,非晶碳膜与基体之间的结合强度逐渐降低,样品的摩擦系数逐渐降低,磨损率降低,耐磨性增加。合金化时间为60 min时,过渡层厚度为8.20μm,样品摩擦系数最低为0.201,磨损率是纯铜基体的2.48%。(2)对于Ti6Al4V合金基体,a-C/Ta/Ti6Al4V样品表面形貌以胞状为主,随着Ta合金化时间的延长,样品的表面的胞状变得明显,并且数量增多,过渡层的厚度也随之增加。Ta过渡层与基体之间呈现出冶金结合,非晶碳膜与基体之间的结合强度整体变化不大,摩擦系数逐渐减小,磨损率降低。合金化时间为120 min时,过渡层厚度为7.70μm,样品的耐磨性最好,摩擦系数最低为0.265,磨损率是Ti6Al4V合金基体的1.27%。(3)对于304不锈钢基体,a-C/Ta/304不锈钢样品表面形貌比较平整,也以胞状为主,随着Ta合金化时间的延长,样品表面出现明显的胞状形貌,过渡层的厚度也随之增加,Ta过渡层与基体之间呈现出冶金结合,非晶碳膜与基体之间的结合强度一般,出现一定的剥落,样品摩擦系数逐渐变小,磨损率降低,耐磨性提高。合金化时间为30 min时,过渡层厚度为2.10μm,材料的摩擦系数最低为0.133,磨损率为304不锈钢基体的1.72%。(4)对比发现,在Ti6Al4V基体表面制备Ta过渡层沉积的非晶碳膜具有较好的结合强度和摩擦学性能。这是因为,Cu与Ta互不固溶,使得制备过程中,过渡层中的产生内应力较大,再加上Cu基体较软,机械承载力低,导致其耐磨性较差;304不锈钢基体硬度较高,但304不锈钢中的元素与Ta元素都没有良好的固溶度,在过渡层的制备中,会出现较大的内应力,导致膜层整体内应力偏大,薄膜与基体的结合强度差。