电弧离子镀沉积碳膜的结构和疏水性能
曲泓函，刘 婵，张 川，黄美东
【摘 要】为了研究脉冲偏压对薄膜结构和疏水性能的影响，采用电弧离子镀技术在不锈钢和硅基底材料上沉积了纯碳薄膜，在保持直流偏压、频率和占空比等工艺参数稳定的情况下，在不同脉冲偏压下制备获得纯碳薄膜.分别利用X线衍射仪、X线光电子能谱、扫描电镜、摩擦磨损仪和接触角测量仪对薄膜样品的微观结构、表面形貌、摩擦系数和疏水性能进行测试.结果表明：沉积所得纯碳薄膜均呈非晶态，随着脉冲偏压的升高，纯碳薄膜表面形貌质量先变好再变坏；摩擦系数先变小后变大，但变化幅度不大；接触角先减小后增大.脉冲偏压为300V时，样品表面形貌最平整，摩擦系数最小，为0.192；在脉冲偏压为500V时，纯碳薄膜样品的接触角平均值最大，为102.53°，疏水性能最好. 【期刊名称】天津师范大学学报（自然科学版） 【年(卷),期】2017(037)003 【总页数】5
【关键词】电弧离子镀；纯碳薄膜；脉冲偏压；疏水性能；接触角；摩擦性能 自然界中有许多像荷叶表面这样具有自清洁特性的动植物，自清洁性能良好的表面又称疏水表面，而疏水性可以通过接触角来衡量[1-2].受自然界荷叶效应的启发，利用疏水薄膜进行表面改性已成为材料表面防护的重要途径之一.将疏水薄膜用于金属材料表面可以有效抑制表面腐蚀和氧化，提高材料的自清洁和抗结冰能力.在自清洁、交通运输、微流体器件和生物医用等领域中，疏水薄膜也展示了其特有的优势.然而在实际应用过程中，使用环境对疏水薄膜提出了更高要求，除了应具有较强的疏水性外，还要具备良好的力学性能，在具有增强防
冰和防腐性能作用的同时，还要有利于提高零部件表面的耐磨、减摩特性，如航空发动机进气口冷端部件和人工关节等[3-4].因此，开发既耐磨又疏水的薄膜材料具有非常重要的意义.
基于Wenzel[5]和Cassie[6]提出的2种模型，制备疏水表面的方法主要从2个方向着手[7-8]：一是在低表面能材料上建构粗糙结构；二是在粗糙表面上镀低表面能材料.而碳膜本身具有润滑性佳、表面能低等特点，在固体润滑和建筑材料等领域具有广阔的应用前景[9].本研究利用电弧离子镀方法制备纯碳薄膜，旨在获得疏水性能良好的纯碳薄膜[10-11]，为纯碳薄膜的实际应用提供基础依据，并对自清洁薄膜的开发和应用具有借鉴意义.
1 样品制备及测试方法
1.1 样品制备
实验采用SA-6T型复合离子镀膜机利用电弧离子镀方法制备纯碳薄膜，首先将清洗好的高速钢和硅片完全浸没在盛有无水乙醇的玻璃器皿中，放在KQ-1000B型超声波清洗器中清洗10 min；然后用烘干机将样品表面烘干，并固定在样品夹上放入腔室.镀膜前腔室真空度优于6×10-3Pa，随后通入氩气，调节气压使腔室气压稳定在6 Pa，并在300 V负偏压下进行辉光清洗.待清洗结束后，将气压降至约0.6Pa，使用纯度为99.9%的C靶轰击基底，实验过程中，直流电压为100 V，占空比为30%，脉冲偏压电源频率为40 kHz，Ar压强为0.6 Pa，保持上述制备参数不变，在100、200、300、400和500 V脉冲偏压下制备出纯碳薄膜.根据不同测试需要，基底分别为不锈钢片和硅片. 1.2 样品测试
利用D/MAX-2500型X线衍射仪对硅基底样品进行晶体结构测试，采用Cu-
Kɑ射线源，λ=0.154056 nm，步宽为0.05°，扫描范围为10°～80°.利用VGESCALAB MKⅡ型X线光电子能谱仪参样品的成分进行表征.不锈钢基底的样品则用来测试表面形貌、摩擦系数和接触角数据.使用日立TM3000型扫描电子电镜观察薄膜表面的大颗粒情况和均匀程度.利用MS-T3000型摩擦磨损仪进行摩擦性能测试，测试时间为5min，载荷为50g，旋转速度为1000r/m，每块样品取2个不同的半径测试2次，记录其平均摩擦系数，而后取平均值.采用Theta Lite型光学接触角测量仪对样品的疏水性能进行测试，在每个样品表面取3个不同的位置，在沉积纯碳薄膜表面滴一滴水，待水滴在样品表面形成球形液滴的瞬间，快速拍摄，通过影像测量水滴和样品间的接触角大小后，再求其平均值.
2 实验结果和分析
2.1 物相结构
不同偏压下所得样品（硅基底）的X线衍射图谱如图1所示.由图1可以看出，所有样品的XRD图谱中均没有出现包括基底峰在内的衍射峰，说明由于样品厚度较大，X线未能穿透沉积的纯碳薄膜进入基底，且薄膜结晶度差，呈非晶态.为确定样品的成分，对样品进行XPS测试，不同偏压下所得样品的XPS全谱基本相同，图2为偏压为100 V时，样品的XPS数据.
由图2可以看出，样品的XPS图谱中只有2个衍射峰，其中结合能为285.0 eV的峰对应C 1s元素；结合能为531.8 eV的峰对应O 1s，这是由样品表面吸附的氧气所致.因此，XPS结果说明薄膜中只含有碳元素，证明样品为纯碳薄膜.
2.2 表面形貌
电弧离子镀沉积碳膜的结构和疏水性能
