碳源对微米金刚石薄膜冲蚀磨损性能的影响

2.2节论述了碳源对MCD薄膜沉积的影响及机理，本节为了系统深入地研究碳源对MCD薄膜冲蚀磨损性能的影响［112］，同样采用四类典型碳源（甲烷、丙酮、甲醇、乙醇），制备了两组MCD薄膜涂层样品：其中一组为相同沉积时间（15 h）的样品（GA）；另一组为通过控制沉积时间获得的薄膜厚度近似（约16～18μm）的样品（甲烷30 h、丙酮15 h、甲醇25 h、乙醇15 h，GB）。金刚石薄膜的冲蚀磨损性能与其厚度、附着性能、硬度和断裂韧性相关，对于GA样品而言，厚度差异是影响其冲蚀磨损性能的主要因素；对于GB样品而言，残余应力、薄膜质量、附着性能、硬度和断裂韧性等性能是导致其冲蚀磨损性能存在差异的主要原因。根据与2.2节相同的表征方法估算得出的薄膜生长速率及性能表征结果（见表3-5）。

表3-5　采用不同碳源沉积的金刚石薄膜性能参数及冲蚀磨损试验结果

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本节研究中应用的冲蚀试验参数如下：磨料为平均颗粒度45μm的碳化硅砂，磨料流量为2.0 kg/h，冲蚀速度ve＝100 m/s，冲蚀角度αe＝90°。本节中同样采用稳态冲蚀磨损率εs和薄膜寿命tr两个参数以表征不同金刚石薄膜的冲蚀磨损性能，并近似定义单位沉积时间可获得的薄膜寿命为单位薄膜寿命tru，以进一步评价针对冲蚀磨损应用条件采用不同碳源沉积金刚石薄膜的效率和经济性。冲蚀磨损试验结果同样列于表3-5中。厚度较薄的金刚石薄膜（GA中采用甲烷和甲醇沉积的样品）磨损很快，无法测定其稳态磨损率，因此针对GA样品仅用tr和tru来表征其冲蚀磨损性。明显地，采用甲烷和甲醇碳源沉积的两类较薄的金刚石薄膜的寿命明显低于采用乙醇和丙酮碳源沉积的两类较厚的薄膜。根据GB的试验结果可知，在同等厚度条件下，由于采用甲烷制备的MCD薄膜残余应力较小，薄膜质量、硬度和弹性模量和断裂韧性均较高，因此其稳态磨损率最小，薄膜寿命最长；相反地，采用甲醇制备的薄膜则表现出较大的稳态磨损率，并且因为其附着性能极差，所以薄膜寿命显著低于其他薄膜；在液体碳源中，丙酮可以尽量减小薄膜的残余应力，保证薄膜质量，因此采用该碳源制备的金刚石薄膜具有相对较高的硬度、弹性模量和断裂韧性，在冲蚀试验中表现出较小的稳态磨损率和较高的使用寿命。

综合来看，在冲蚀磨损试验条件下，采用丙酮和乙醇沉积的金刚石薄膜寿命略低于甲烷，而单位寿命均高于甲烷，即耗费相同的沉积时间成本可以获得相对较高的薄膜寿命，并且这两类液体碳源的价格低于甲烷，因此在工业应用中具有良好的经济性。此外，液体碳源与液体无毒硼掺杂源（硼酸三甲酯）更容易混合，因此更有利于无毒硼掺杂工艺的实现，便于开发各类基于硼掺杂的复合金刚石薄膜。就几类常用液体碳源对比来看，采用丙酮沉积的金刚石薄膜具有相对较好的冲蚀磨损性能，因此在本书涉及硼掺杂的内孔冲蚀磨损应用中均选取了丙酮作为碳源，在常规MCD薄膜的内孔冲蚀磨损应用中则优选了甲烷作为碳源。