第十四届全国表面工程大会

162 / 2022-09-19 15:36:29

金刚石薄膜的纳米力学性能评价

金刚石薄膜，纳米压痕，硬度，弹性模量，HFCVD

金刚石薄膜具有极高的硬度、模量和优异的耐磨性，被认为是刀具切削难加工材料的理想硬质涂层材料。然而，如何准确评价高硬度的金刚石薄膜的机械性能一直是一个难题，这阻碍了金刚石薄膜的优化设计和广泛应用。我们采用热丝化学气相沉积（HFCVD）技术，通过调控不同气压（0.1-1.0 kPa）的CH₄和H₂气氛，在WC-6% Co基底上沉积了不同金刚石薄膜。通过采用一系列载荷的纳米压痕测试，对金刚石薄膜的机械性能进行了严格、系统地评价。实验发现，即使遵循了传统的压入深度与薄膜厚度之比小于10%的经验法则，不同载荷的纳米压痕实验计算得到的硬度表现出显著偏差。通过大量的纳米压痕测试，发现基于粗糙度小于 20 nm 的抛光金刚石薄膜的纳米压痕测试数据具有很好的一致性。同时，在金刚石薄膜的纳米力学测试中，为了避免基底效应的影响，最大压入深度应该限制在薄膜厚度的5%以内，而不是10%。纳米压痕测试结果表明，沉积的金刚石薄膜力学性能随着气压的增加而提高，硬度从75.5±1.4 GPa逐渐增加到87.3±5.0 GPa，这归因于sp³碳含量的增加。