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钽基底DLC薄膜摩擦磨损性能研究

通过磁控溅射技术在钽（Ta）基底上制备了只含Ti过渡层的Ta/Ti/DLC（简写为TD）和含三层过渡层的Ta/Ti/TiN/Ti/DLC（简写为TTTD）薄膜。利用扫描电子显微镜、往复摩擦磨损试验机、激光拉曼光谱仪、表面粗糙度仪对这两种薄膜分别进行了形貌观察、摩擦磨损实验、碳键结构和粗糙度的分析，并研究了这两种薄膜的摩擦磨损性能。实验结果表明，TTTD薄膜的厚度 (7 µm）约是单层膜厚度 (501 nm) 的13倍，且具有更高的承载能力。分析表明TiN中间层以柱状结构生长，与Ti层形成了机械互锁，提高了膜间的结合强度，而且TiN层的存在促进了DLC薄膜的生长，提高了薄膜的整体厚度。在弱碱环境、不同频率(1Hz、2Hz、3Hz、4Hz)时，TD膜厚度薄，摩擦过程中受基底粗糙度影响大，摩擦系数在0.25左右波动；而TTTD膜摩擦系数稳定在0.2，如下图所示；TTTD膜在磨合初级阶段，对磨副磨损后产生大量的磨屑，同时溶液中析出的碳酸钠晶体也不利于摩擦系数的稳定，但是随着摩擦过程中变形和局部温升作用形成大量的石墨化转移膜，降低了摩擦系数。通过磨痕形貌分析发现氧化磨损、磨粒磨损和黏着磨损同时作用于TD膜，然而TTTD膜仅发生轻微的磨粒磨损。本研究表明，在Ta基底上制备Ta/Ti/TiN/Ti/DLC软硬交替多层膜可以缓解内应力、提高结合力、薄膜的整体厚度及耐磨性能。有望解决Ta基底耐磨性问题，为Ta应用于关节材料提供了理论基础。