采用非平衡磁控濺射技術在不鏽鋼及Sip(111)基體上製備了含氫（qīng）無定形碳(a-C:H)薄膜，沉積的薄膜表麵光滑，硬度高，內應力小，膜/基（jī）結合力好。利用球-盤摩（mó）擦實驗機對薄膜在不同真空度(1.0×105、5.0×10-2、1.0×10-2、5.0×10-3 Pa)下的摩擦學行為進行了研（yán）究，結果表明，隨著真空度的升高，薄（báo）膜的摩擦係（xì）數逐漸減小，磨損率（lǜ）逐漸增大。在5.0×10-3 Pa時，a-C:H膜（mó）的摩（mó）擦（cā）學（xué）行為發生突變，此時薄（báo）膜的摩擦係數為0.005，而（ér）耐磨壽命很短。高真空中，薄膜壽命的突變可（kě）能與（yǔ）薄（báo）膜脫（tuō）氫而結構（gòu）發生變化有關。
1、引言
載人航天工程、空間實驗室、星際探測器等（děng）空間高技術工業的發展，為我（wǒ）國經濟建設、國（guó）家安全和科技發展做出了積極貢獻。空間環（huán）境的重要特點之一就是高真空，在此環境下（xià），金屬表麵的氧化（huà）膜在摩擦過程中很快被除（chú）去，潔淨金屬表麵之間極易發生粘著，甚至冷焊，致使摩（mó）擦副不（bú）能相對運動，這（zhè）對於空（kōng）間運動部件來說是致命的。此外，常規的油（yóu）脂潤滑劑（jì）在（zài）苛刻的真空環境下，易發生蒸發、分解或交聯而（ér）失效。所以，空間技（jì）術關鍵運動部件在真空環境中的潤滑失效已經成為（wéi）製約空間技術裝備壽命和可靠性的瓶頸，因此，發展（zhǎn）適合於高真空的高可靠性、超長壽命的潤滑材料與技術具有重要（yào）意義。固體（tǐ）潤滑材料由於具有低的蒸發率、較寬的溫度區間、抗輻射、耐腐蝕等（děng）優點，是（shì）理想的真空潤滑（huá）材料。含氫非晶碳膜(a-C:H)作為一種新型的固體潤滑薄膜，具有高硬度、低摩擦係數、高耐磨性、良好的化學穩定性等，在空間高技術（shù）領域顯示了重要（yào）的應（yīng）用前景和價值（zhí）。
a-C:H膜是（shì）介於金剛石碳和石墨碳之間的一（yī）種非晶（jīng）亞穩（wěn）態（tài）結構，由一定比（bǐ）例的（de）sp3、sp2雜化碳原子組（zǔ）成，同時含有一定量的氫（qīng）原子。因（yīn）製備方法以及測試條（tiáo）件、環境氣氛等因素的不同，它的摩擦（cā）係數可在0.001～0.65範（fàn）圍內變化。Donnet研究了a-C:H膜在大氣壓及不同真空條件下（xià）的摩擦學行為（wéi），結果表明，在不同的真空度下，a-C:H膜的（de）摩擦磨（mó）損行為相（xiàng）差比較大，隨著（zhe）真空度（dù）的升高（gāo），a-C:H膜的摩擦係數減小。
相關的研究者提出了表麵鈍化懸鍵理論和摩擦化學理論來揭示真空度與a-C:H膜的（de）摩擦係（xì）數之間的關係。高H含量的a-C:H膜表麵的懸鍵大部分被H鈍（dùn）化，在與對偶作用時（shí）產生較弱的範德華力，故在真（zhēn）空環境中表現出超低摩擦係數;而大氣環境中，由於摩擦（cā）化學（xué）作用，導致材（cái）料表麵氧化（huà），增加了與對偶之間的相互作（zuò）用，引起摩擦係數升高。作為空間潤滑材（cái）料，高真空中的耐磨壽命是（shì）a-C:H膜（mó）性能評價重要指標。在（zài）已有的研究中，研究者更著重摩擦係數方麵的研究，而對其耐磨（mó）壽命的研究較少（shǎo）。已有結（jié）果（guǒ）表明，a-C:H膜在高真空條件下摩擦係（xì）數很低(0.001)，但其耐磨壽命很短。對於a-C:H膜在高真空條件下的摩（mó）擦與磨（mó）損行為的不一致性，國內外（wài）還沒（méi）有開展係統的研究，相關的機理解釋（shì）也很少。
本文采用中頻非平衡磁（cí）控濺射技術製備了a-C:H膜，研究了從（cóng）大氣環境到不同（tóng）真空（kōng）(1.0×105、5.0×10-2、1.0×10-2、5.0×10-3Pa)條件下的薄膜的摩擦（cā）磨損行為，並（bìng）探討（tǎo）了相關的作用機（jī）理。
2、實驗
2.1、薄（báo）膜製備
采用非（fēi）平衡磁（cí）控濺射沉積設備，以高純石墨(純度為99.99%)作為靶材，以Ar和CH4作為濺射氣體，在AISI202不鏽鋼片和p(111)單（dān）晶矽兩種基體材料上（shàng）沉積（jī）a-C:H薄膜。基體經丙酮超（chāo）聲清洗20min，然（rán）後置於真空室中用高能Ar+離子轟擊樣品表麵30min後，依次沉（chén）積Si界麵層和Si-C梯度層來提高薄（báo）膜與基體的結合強度。a-C:H膜的沉積條件為Ar和CH4的流量比為1:1，沉積氣壓為5.3×10-1Pa，濺射電（diàn）流12A，脈（mò）衝偏壓為-200V，占空比20%，沉積時間為3h，沉（chén）積的薄膜厚度為1.4μm。
摩擦過程（chéng）中跑合（hé）階段，薄膜表麵吸附的物質和結合（hé）較差的物（wù）質被除去（qù），在滑動接觸界麵（miàn）上形成了轉移膜;在穩定期，由於轉移膜（mó）的形成，膜保持著相對（duì）較低的（de）摩擦係數。a-C:H膜中，H飽和了薄膜的表麵懸鍵。常壓下，大氣中的水和O2吸（xī）附（fù）在薄膜表麵，在摩擦過程中發生摩（mó）擦化學反（fǎn）應，破（pò）壞了薄膜表麵的C—H鍵，增加了薄（báo）膜與對偶之間的相互作用，引起高的摩擦（cā）係數。隨（suí）著（zhe）真（zhēn）空度的升高，環境氣氛中的分子（zǐ）逐漸減少，與薄膜表（biǎo）麵的化學作用減弱，H起到了很好的鈍化表麵懸鍵作用，使得薄膜的摩擦（cā）係數較低。當真空（kōng）度升高（gāo）到5.0×10-3Pa時，環境氣體分子少到幾乎不與薄膜表麵作（zuò）用，碳碳間的相互作用最弱，使得薄膜的摩擦係數最低（dī）。在（zài）摩擦過程中，表（biǎo）麵微凸體相互作（zuò）用（yòng），在很短的時（shí）間內(隻有幾毫秒甚至更短)，表麵的溫度能達（dá）到1000℃以上。高真空中，氣體分（fèn）子數少，摩擦對偶的導熱性變差，熱傳導低，使（shǐ）得摩（mó）擦接（jiē）觸點的溫度升高，導致薄膜（mó）脫氫，結構發生（shēng）改變而被磨穿，之後摩擦對偶材料間發生（shēng）粘著，使得摩（mó）擦係數忽然升高。
4、結論
(1)利用中頻非（fēi）平衡磁（cí）控濺（jiàn）射技術製備了均勻、致密且表麵（miàn）粗糙度小的a-C:H膜，該薄膜由sp3、sp2雜化碳原子組成並含有一定量的C—H鍵，內應力為0.811GPa，硬度為9.31GPa。
(2)在1.0×10-2 Pa真空以下，a-C:H膜的摩擦係數變化不大，磨損（sǔn）率在10-7量級（jí）;在5.0×10-3Pa真空下，a-C:H膜摩擦（cā）學行為就已經（jīng）發生突變，摩擦係數為0.005，但薄膜很快被磨穿。
