類富勒烯結構對含氫碳膜摩擦學性能的影響

裴露露，吉利，李紅軒，劉曉紅，周惠娣，陳建敏

類富勒烯結構對含氫碳膜摩擦學性能的影響

裴露露1,2，吉利1，李紅軒1，劉曉紅1，周惠娣1，陳建敏1

（1.中國科學院蘭州化學物理研究所 中國科學院材料磨損與防護重點實驗室，蘭州 730000；2.中國科學院大學 材料與光電研究中心，北京 100049）

研究類富勒烯結構含氫碳膜的摩擦學性能及潤滑機理。采用閉合場非平衡反應磁控濺射技術，通過調節靶電流制備出類富勒烯結構含氫碳膜（FL-C:H）與非晶含氫碳膜（a-C:H）。通過掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡觀察薄膜表面與斷面的形貌，通過傅里葉紅外光譜儀表征了碳膜的碳氫鍵結構，通過納米壓痕儀、劃痕儀、摩擦磨損實驗評價薄膜的力學及摩擦學性能，通過透射電子顯微鏡分析磨屑結構，并通過光學顯微鏡及三維輪廓儀對磨斑及磨痕形貌進行分析。類富勒烯結構對薄膜的機械力學性能影響不大，但是對其大載荷下的摩擦學性能有影響。與a-C:H碳膜相比，小載荷下（5 N），FL-C:H碳膜的摩擦系數較高，大載荷下（20 N），FL-C:H碳膜具有較低的摩擦系數（0.03）和磨損率（4.8×10?8mm3/(m·N)），并且其摩擦界面形成了類球狀納米結構顆粒。隨著載荷的增加，FL-C:H碳膜的摩擦系數和磨損率先降低，后基本不變，在載荷大于15 N時，摩擦界面形成了類球狀納米結構顆粒。類球狀納米結構顆粒的形成能降低薄膜的摩擦系數和磨損率，而FL-C:H碳膜比a-C:H碳膜更易在摩擦界面形成類球狀納米結構顆粒。這種類球狀納米結構的形成還依賴于載荷的大?。ù筝d荷時更易形成），因此類富勒烯碳膜在大載荷下更易保持低的摩擦系數及磨損率。

類富勒烯結構；含氫碳膜；反應磁控濺射；摩擦學性能；類球狀納米結構

含氫碳膜作為潤滑防護薄膜，具有高硬度、低摩擦及良好的抗磨損能力、生物相容性、化學惰性等特性，在一些精密機械運動器件、切削工具、模具、生物醫學人工假體等領域得到了廣泛的應用[1-4]。但是薄膜的殘余應力過大，容易發生脆性斷裂，導致碳膜過早失效，限制了其服役壽命和可靠性[5-6]。研究者們已經采用多種方法改善含氫碳膜殘余應力過大的問題，包括復合各種金屬和非金屬元素[7-8]，形成多層結構[9]，調控生長中程有序的微結構等[10-13]，特別是在碳膜中調控生長含有類富勒烯、石墨烯、碳納米管等中程有序結構，在不降低硬度的同時，改善了含氫碳膜的脆性問題。宋惠等[14-15]利用反應磁控濺射，在含氫碳膜中成功制備出了中程有序的石墨烯和碳納米線結構，賦予了薄膜良好的機械性能，很好地彌補了含氫碳膜存在的不足，特別是構筑的石墨烯結構，在高真空下的摩擦壽命已取得了突破性的進展。王鵬等[16]利用磁控濺射技術在甲烷和氬氣氣氛下，成功地制備出了高硬度、高彈性恢復的具有類富勒烯結構的含氫碳膜（FL-C:H），其摩擦系數在不同環境中的最大差值僅為0.02，表現出良好的低環境敏感性。吉利等[17]制備的FL-C:H碳膜成功地改善了a-C:H碳膜摩擦學性能的環境敏感問題，在高濕度下依舊保持了較優異的摩擦學性能。FL-C:H碳膜摩擦學性能優異的原因是，在摩擦過程中于摩擦界面生成了有利于減少摩擦的類球狀卷曲的納米顆粒[18]。龔珍彬等[19]的研究發現，含氫a-C:H碳膜在摩擦過程中，也會在摩擦界面形成這種特殊的納米顆粒。既然兩種碳膜在摩擦過程中都會形成這種減小摩擦的類球狀的納米顆粒，那么這兩種薄膜的摩擦學性能差異在哪里，值得研究。

基于此，本文制備了兩種硬度相似的薄膜：一種是含氫非晶碳膜（a-C:H），另一種是類富勒烯含氫碳膜（FL-C:H）。研究了兩種薄膜在小載荷（5 N）、大載荷（20 N）下的摩擦學性能和薄膜摩擦機理的轉變，以及FL-C:H碳膜的摩擦學性能對載荷的依賴性。

1 試驗

1.1 薄膜制備

含氫碳膜采用英國teer公司出產的閉合場非平衡磁控濺射設備（UPD800）制備，設備裝有四個磁控濺射靶（兩個碳靶、兩個鉻靶），偏壓采用脈沖直流，靶電流是直流供應。在制備薄膜之前，將基底（鏡面拋光的Si(100)和不銹鋼Sus-304）分別在去離子水和丙酮中超聲清洗約20 min，然后在氮氣中干燥，去除表面的污染物，之后放入沉積室沉積。沉積過程共分成四步：1）抽真空至腔體氣壓為3×10?3Pa，通入氬氣，調節基底偏壓為400 V，進行氬離子刻蝕，除去基底表面的污染物；2）調節鉻靶電流，沉積鉻打底層；3）調節碳靶與鉻靶電流，沉積過渡層，最后關閉鉻靶；4）通入1:1的氬氣和甲烷氣體，沉積氣壓0.18 Pa，調節碳靶濺射電流為3、7 A，分別沉積含氫薄膜及類富勒烯碳膜。

1.2 性能測試及表征手段

1）含氫碳膜的橫截面和表面形態采用SU8020場發射掃描電鏡表征。薄膜表面的粗糙度采用原子力顯微鏡表征。碳膜的碳氫鍵結構用Bruker的V70型傅里葉紅外光譜儀表征。將薄膜沉積于鹽片上，之后將鹽片溶解，得到的薄膜置于銅網上，采用FEI Tecnai G2 F20 S-TWIN型號的透射電子顯微鏡表征薄膜的顯微結構。薄膜的硬度和彈性恢復性能采用CSM公司生產的納米壓痕儀表征，納米壓痕加載載荷為 5 mN，壓入深度不超過薄膜厚度的十分之一，以防止基底對測試結果的影響，彈性恢復采用(max?min)/max公式（max、min是在卸載時壓入薄膜的最大和最小深度）計算，每個樣品取五個點進行測試，并取平均值。碳膜的膜基結合力采用CSM的劃痕儀測試，加載載荷范圍為0~50 N，劃痕的長度為5 mm，加載速度為25 N/min。

2）采用CSM球盤式摩擦磨損試驗機測試兩種碳膜在大氣環境中（相對濕度25%）的摩擦磨損性能。相關測試參數如下：采用往復模式，對偶球為直徑6 mm的GCr15鋼球，振幅5 mm，摩擦速度14.14 mm/s（頻率9 Hz），載荷分別為5、10、15、20 N，測試時間為30 min。測試完成后，用奧林巴斯光學顯微鏡、MicroXAM非接觸式三維輪廓儀對碳膜摩擦后的磨斑及磨痕進行觀察，并計算磨損率。用FEI Tecnai G2 F20 S-TWIN型號的透射電子顯微鏡表征磨屑的顯微結構。

2 結果及分析

2.1 不同類型碳膜的結構及表面與斷面形貌

圖1給出了兩種碳膜的高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）圖。從圖1a中可以看出，薄膜為無定形碳結構，是典型的含氫非晶碳膜（a-C:H）；從圖1b可以看出，薄膜中存在大量明顯、彎曲的晶格條紋（如圖1b中紅色橢圓框中所示）。這些晶格條紋的間距為0.35 nm，與石墨的(002)面對應，是彎曲的石墨片結構，研究者稱之為類富勒烯碳膜（FL-C:H）[20-21]。

圖1 碳膜的高分辨電子顯微鏡圖

圖2所示是兩種碳膜的表面原子力顯微鏡圖（AFM）與斷面的場發射掃描電鏡圖（FESEM）。圖2a、b示出了兩種含氫碳膜的AFM形貌圖，從圖中可以看出，a-C:H薄膜表面有少量島狀凸起，其表面粗糙度為2.21 nm，而FL-C:H薄膜存在大量的缺陷，表面粗糙度較大，為9.86 nm。薄膜的表面粗糙度與其制備過程密切相關，在制備FL-C:H碳膜時的碳靶電流較高，等離子濺射產額較高，濺射出來的粒子沉積于基底，來不及擴散，便被新的濺射出來的粒子覆蓋，所以其表面粗糙度較大[22]。從薄膜斷面的FESEM圖中可以看出（圖2c、d），兩種薄膜的結構均勻，且致密性較好，不存在明顯的缺陷。值得注意的是，兩種薄膜都在Si基底與碳層之間出現了一層特殊的結構，該結構呈柱狀，連接了基底與上層碳膜，結構致密，厚度大約為0.55 μm。用透射電子顯微鏡對薄膜的截面進行了線掃描分析，薄膜截面各部分的元素種類變化已經在圖2c中標注，從元素變化可以看出，接近碳層的過渡層部分，碳元素和鉻元素的含量在不斷變化，無法確定元素組成，因此在圖中標注為CrC。通過對柱狀結構進行了高分辨分析，如圖2c中的插圖，該柱狀物質的晶面間距為0.203 nm，對應Cr的(110)晶面[23]，因此過渡層是由Cr和CrC組成。該過渡層的形成有益于改善膜基結合力，從而改善薄膜的力學與摩擦學性能。

2.2 碳膜的碳氫鍵結構

傅里葉紅外光譜是一種有效表征含氫碳膜中碳氫鍵結構的方式。通過紅外光譜表征了兩種碳膜的碳氫鍵結構，如圖3所示，a-C:H碳膜在2920 cm?1左右有一個明顯的不對稱吸收峰，說明大部分氫是以sp3CH3和sp3CH2的形式存在[24]，雖然FL-C:H碳膜在此處的吸收峰不明顯，但放大之后，可以明顯看見在此處也存在不對稱的峰，峰位置相同，表明FL-C:H的碳氫鍵結構與a-C:H碳膜無明顯差別。

圖2 碳膜表面AFM和截面FESEM圖

圖3 碳膜的傅里葉紅外光譜圖

2.3 不同類型碳膜的力學性能

從圖4a的納米硬度測試結果中可以看出，兩種碳膜具有相似的硬度，分別為12.1 GPa和12.2 GPa。碳膜的結合力用CSM的納米劃痕儀進行了測試，測試結果如圖4b所示，兩類薄膜均在11 N左右出現少量剝落，在20 N左右完全剝落，說明形成的類富勒烯結構對含氫碳膜的機械及力學性能影響不大。

2.4 不同類型薄膜的摩擦學性能

圖5所示為碳膜在空氣氣氛中，當載荷為5、20 N時的摩擦系數曲線與磨損率。當載荷為5 N時，FL-C:H比a-C:H碳膜的摩擦系數高（圖5a），但FL-C:H碳膜在摩擦的后期，其摩擦系數有降低的趨勢，而二者磨損率基本相同（圖5c）。有趣的是，FL-C:H碳膜在載荷為20 N時的摩擦系數及磨損率均低于同等摩擦試驗條件下的a-C:H碳膜（圖5b、c），不僅如此，FL-C:H碳膜在載荷為20 N時的磨損率還低于載荷為5 N時的磨損率。

圖4 碳膜的力學性能

圖6為兩種碳膜在不同的摩擦試驗條件下，其磨痕的三維形貌圖及磨斑的光鏡圖。當載荷為20 N時，磨痕寬度明顯增加。但是在大載荷和小載荷下，兩種碳膜磨痕的內部都存在明顯的犁溝，表明兩種碳膜在不同的摩擦試驗條件下的磨損機制都是以磨粒磨損為主。而且觀察磨斑發現，兩種碳膜在摩擦過程中均沒有形成致密的轉移膜。并且在小載荷時，磨斑較小，與磨痕的情況相互對應。

圖5 不同載荷下碳膜的摩擦系數曲線及磨損率

圖6 不同摩擦條件下碳膜磨痕的三維形貌圖及磨斑的光學顯微鏡圖

從磨痕和磨斑的形貌很難分析出FL-C:H碳膜在低載荷下高磨損，在高載荷下低磨損的原因，而且a-C:H碳膜的摩擦學性能正好與FL-C:H碳膜的性能相反。因此用高分辨透射電子顯微鏡表征了兩種碳膜在不同摩擦條件下的磨屑結構，如圖7所示。Liu等[25]指出，含氫碳膜在摩擦過程中于接觸界面產生的摩擦熱可能會導致薄膜的sp3鍵斷裂，向sp2碳轉變，并獲得較低的摩擦系數，這個過程稱為石墨化轉變。從圖7a可以看出，磨屑的結構與原始薄膜的結構相似，并沒有明顯的晶格條紋，說明a-C:H碳膜在5 N載荷下的磨痕并沒有發生明顯的石墨化轉變，而當載荷為20 N時，磨屑的透射高分辨圖像中出現了明顯的晶格條紋（圖7b），晶面間距為0.35 nm，因此可以看出20 N載荷時的磨屑的石墨化程度更明顯（如圖7c），說明a-C:H碳膜在大載荷下更易發生石墨化的轉變。而對于FL-C:H碳膜，在5 N載荷下，磨屑中存在大量短程彎曲的石墨結構，而在20 N載荷下，磨屑是類球狀納米結構顆粒。因此可以說明，在相同的實驗條件下，FL-C:H碳膜更易在摩擦界面形成類球狀納米結構顆粒，而且這種結構的形成降低了薄膜的摩擦系數與磨損率。FL-C:H碳膜在較低載荷下的摩擦系數較高，是因為薄膜具有較高的表面粗糙度，所以當摩擦處于初期的時候，因為粗糙峰的相互咬合而引起的二體磨粒磨損增加，摩擦系數較大，而在摩擦的后期，磨痕相對原始表面的粗糙度降低，摩擦系數有一定程度的降低。在大載荷時，摩擦界面中形成了類球狀納米結構顆粒，摩擦對偶與類球狀納米結構顆粒表面形成非公度接觸和類球狀納米結構顆粒的滾動效應，因此摩擦系數和磨損率降低[19]。

2.5 FL-C:H碳膜在不同載荷下的摩擦學性能

為了進一步探究類球狀納米結構顆粒形成對FL-C:H碳膜摩擦學性能的影響，研究了FL-C:H碳膜的摩擦系數與磨損率對載荷的依賴性。圖8所示為FL-C:H碳膜的摩擦系數與磨損率隨著載荷的變化情況。結果表明，隨著載荷從5 N增加至15 N，FL-C:H碳膜的摩擦系數從0.06降低至0.03，在載荷增加到15 N后，摩擦系數變化不大（如圖8a），磨損率隨著載荷的變化有相同的變化趨勢（如圖8b）。

進一步研究了不同載荷下的磨屑結構，發現隨著載荷的增加，磨屑由大量短程彎曲的石墨結構（5 N，如圖7b）轉變為長程彎曲的石墨結構（10 N，如圖9a），當載荷增加至15 N時，磨屑的結構成為類球狀納米結構顆粒，此時的摩擦系數、磨損率均處于相對較低的水平；隨著載荷的進一步增加（20 N，如圖7d），磨屑的結構依舊是類球狀納米結構，磨損率也無明顯變化。

圖7 在不同摩擦試驗條件下碳膜磨屑的HRTEM圖

圖9 在不同載荷下FL-C:H薄膜磨屑的HRTEM圖

在較高載荷下，摩擦界面形成了大量的類球狀納米顆粒，此時的摩擦系數與磨損率均降低，進一步證明了在摩擦界面，類球狀納米顆粒形成對類富勒烯碳膜摩擦學性能的影響。龔珍斌等[19]指出這種類球狀納米顆粒的形成機制是：摩擦界面處原始結構被破壞后的碳原子發生重排，形成石墨烯，生成的石墨烯邊緣活性很高，容易與非晶碳顆粒表面懸鍵發生鍵合，形成類球狀納米顆粒。從以上實驗結果可知，FL-C:H比a-C:H碳膜更易形成這種類球狀納米顆粒，研究認為因為類富勒烯碳膜與石墨烯的結構更加接近，因此它的碳原子被破壞重排，形成石墨烯更加容易。對于FL-C:H碳膜，類球狀納米顆粒的形成依賴于載荷的大小，因為大載荷下的破壞作用大，而且會產生更多的摩擦熱，碳原子更易發生重排，形成石墨烯，因此大載荷下這種特殊結構更容易形成。

3 結論

1）類富勒烯結構對含氫碳膜的機械力學性能無明顯影響，但顯著改善了含氫碳膜在大載荷下的摩擦學性能。

2）小載荷下，a-C:H碳膜比FL-C:H碳膜的摩擦系數低，磨損率相似。而在大載荷時，FL-C:H碳膜具有相對較低的摩擦系數與磨損率，且其磨損率低于載荷為5 N時的磨損率。摩擦系數與磨損率的降低依賴于摩擦界面形成的類球狀納米結構顆粒，FL-C:H碳膜比a-C:H碳膜更易在摩擦界面形成這種特殊的結構。

3）在FL-C:H碳膜中，摩擦界面類球狀納米結構顆粒的形成依賴于載荷的大小，隨著載荷的增加，摩擦系數與磨損率降低，類球狀納米結構顆粒形成之后，摩擦系數及磨損率無明顯變化。因此，類富勒烯碳膜在摩擦過程中易于摩擦界面形成類球狀納米結構顆粒是其具有優異摩擦學性能的原因。

[1] ERDEMIR A, DONNET C. Tribology of diamond-like car-bon films: recent progress and future prospects[J]. Journal of physics D—applied physics, 2006, 39(18): 311-327.

[2] LUGO D C, SILVA P C, RAMIREZ M A, et al. Charac-t-er-ization and tribologic study in high vacuum of hydro-genated DLC films deposited using pulsed DC PECVD system for space applications[J]. Surface & coatings tech-nology, 2017, 332: 135-141.

[3] BULL S J. Tribology of carbon coatings-DLC, diamond and beyond[J]. Diamond and related materials, 1995, 4(5-6): 827-836.

[4] 徐孝敏, 劉奕, 侯文佳, 等. 碳材料在海洋生物污損領域中應用的研究進展[J]. 表面技術, 2017, 46(11): 172-182. XU Xiao-min, LIU Yi, HOU Wen-jia, et al. Carbon mate-rials for marine antifouling[J]. Surface technology, 2017, 46(11): 172-182.

[5] LIFSHITZ Y, LEMPERT G D, GROSSMAN E. Substan--tiation of sub plantation model for diamond-like film gro-wth by atomic-force microscopy[J]. Physical review let-t-ers, 1994, 72(17): 2753-2756.

[6] ROBERTSON J. The deposition mechanism of diamond- like a-C and a-C:H[J]. Diamond and related materials, 1994, 3(4-6): 361-368.

[7] HILBERT J, MANGOLINI F, MCCLIMON J B, et al. Si doping enhances the thermal stability of diamond-like carbon through reductions in carbon-carbon bond length disorder[J]. Carbon, 2018, 131: 72-78.

[8] LI L, SONG W, LIU J, et al. Nanomechanical and nano-tri-bological behavior of ultra-thin silicon-doped diamond- like carbon films[J]. Tribology international, 2016, 94: 616-623.

[9] WANG W Q, JI L, LI H X, et al. Self-organized formation of nano-multilayer structure in the carbon-copper thin film during reactive magnetron sputtering deposition process [J]. Journal of alloys and compounds, 2017, 722: 242-249.

[10] JI L, LI H, ZHAO F, et al. Effects of pulse bias duty cycle on fullerene like nanostructure and mechanical properties of hydrogenated carbon films prepared by plasma enha-n-ced chemical vapor deposition method[J]. Journal of app-lied physics, 2009, 105(10): 106113

[11] WANG Q, WANG C, WANG Z, et al. Fullerene nanostr-uc--ture-induced excellent mechanical properties in hydrog-enated amorphous carbon[J]. Applied physics letters, 2007, 91(14): 141902

[12] WANG Y, GAO K, ZHANG J, et al. Structure, mecha-n-ical, and frictional properties of hydrogenated fullerene- like amorphous carbon film prepared by direct current plasma enhanced chemical vapor deposition[J]. Journal of applied physics, 2016, 120(4): 045303

[13] 楊保平, 薛勇, 張斌, 等. 類富勒烯薄膜的載荷依賴摩擦滯后行為研究[J]. 表面技術, 2017, 46(9): 107-113. YANG Bao-ping, XUE Yong, ZHANG Bin, et al. Load- dependent friction hysteretic behaviors of fullerene-like films[J]. Surface technology, 2017, 46(9): 107-113.

[14] SONG H, JI L, LI H X, et al. External-field-induced gro-wth effect of an a-C:H film for manipulating its medium- range nanostructures and properties[J]. ACS applied mat-erials & interfaces, 2016, 8(10): 6639-6645.

[15] WANG W Q, JI L, LI H X, et al. Enhancing field electron emission behavior and mechanical properties of hydro-genated amorphous carbon films by incorporating verti-cally aligned carbon nanowires via facile reactive magne-tron sputtering[J]. Journal of alloys and compounds, 2019, 784: 463-470.

[16] WANG P, WANG X, LIU W M, et al. Growth and struc-ture of hydrogenated carbon films containing fullerene- like structure[J]. Journal of physics D—applied physics, 2008, 41(8): 085401

[17] JI L, LI H X, ZHAO F, et al. Fullerene-like hydrogenated carbon films with super-low friction and wear, and low sensitivity to environment[J]. Journal of physics D—app-lied physics, 2010, 43(1): 015404

[18] WANG Z, WANG C B, ZHANG B, et al. Ultralow fric-tion behaviors of hydrogenated fullerene-like carbon films: effect of normal load and surface tribochemistry[J]. Trib-ology letters, 2011, 41(3): 607-615.

[19] GONG Z B, SHI J, ZHANG B, et al. Graphene nano scr-olls responding to superlow friction of amorphous carbon [J]. Carbon, 2017, 116: 310-317.

[20] NEIDHARDT J, HULTMAN L, CZIGANY Z. Correlated high resolution transmission electron microscopy and X-r ay photoelectron spectroscopy studies of structured CN(0<<0.25) thin solid films[J]. Carbon, 2004, 42(12-13): 2729-2734.

[21] AMARATUNGA G A J, CHHOWALLA M, KIELY C J, et al. Hard elastic carbon thin films from linking of car-bon nanoparticles[J]. Nature, 1996, 383(6598): 321-323.

[22] 張劍. 磁控濺射納米硬質膜工藝及力學性能研究[D]. 沈陽: 沈陽理工大學, 2015. ZHANG Jian. Research on process and mechanical pro-perties of nano-hardness films deposited by magnetron sputtering[D]. Shenyang: Shenyang Ligong University, 2015.

[23] 張永宏, 蔣百靈, 陳迪春, 等. 使用梯度過渡層的摻Cr碳膜的顯微組織特征[J]. 材料科學與工藝, 2010(1): 88-93.ZHANG Yong-hong, JIANG Bai-ling, CHEN Di-chun, et al. Microstructure characteristic of Cr-doped carbon film with gradient transition layer[J]. Materials science and technology, 2010(1): 88-93.

[24] FERRARI A C, ROBERTSON J. Interpretation of Raman spectra of disordered and amorphous carbon[J]. Physical review B, 2000, 61: 14095-14107.

[25] LIU Y, MELETIES E I. Evidence of graphitization of diamond-like carbon films during sliding wear[J]. Journal of materials science, 1997, 32(13): 3491-3495.

Effect of Fullerene-like Structure on Tribological Properties of Hydrogenated Carbon Films

1,2,1,1,1,1,1

(1.Key Laboratory of Science and Technology on Wear and Protection of Materials, Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China; 2.Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The work aims to study the tribological properties and lubrication mechanism of fullerene-like structured carbon films. Fullerene-like structured carbon films (FL-C:H) and amorphous hydrogenated carbon films (a-C:H) were prepared by regulating current with closed field unbalanced reactive magnetron sputtering technique. Scanning electron microscope (SEM) and atomic force microscope (AFM) were used to observe the morphology of the surface and cross section of the film. The structure of C─H bond was analyzed by Fourier transformation infrared spectra (FT-IR). The mechanical and tribological properties of the film were evaluated by nano-indentation, scratch tester and friction and wear test. The structure of wear debris was analyzed by high resolution transmission electron microscope (HRTEM), and the morphologies of wear scar were analyzed by optical microscope and 3D non-contact surface pro?lometer. The fullerene-like structure did not have obvious effect on the mechanical properties of the carbon films, but it had a significant effect on tribological properties of the carbon films under the higher load. Under lower load (5 N), the friction coefficient of FL-C:H film was higher than that of a-C:H film. While under higher load (20 N), FL-C:H film had a relatively lower friction coefficient (0.03) and wear rate (4.8×10?8mm3/(m·N)) and spherical-like nanostructured particles were formed at the friction interface. The friction coefficient and wear rate of FL-C:H film decreased with the increase of load, and then tended to be stable. The spherical-like nanostructured particles were formed at the friction interface when the load was higher than 15 N. The formation of the spherical-like nanostructured particles reduces the friction coefficient and wear rate of the carbon films, while the FL-C:H film is easier to form the special structure at the friction interface than the a-C:H film. The formation of the spherical-like nanostructured particles also depends on the load, which is easier under higher load, so the fullerene-like carbon film is easier to maintain lower friction coefficient and wear rate under higher load.

fullerene-like structure; hydrogenated carbon films; reactive magnetron sputtering; tribological properties; spherical-like nanostructured particles

2020-05-04；

2020-05-24

PEI Lu-lu (1995—), Female, Doctoral students, Research focus: surface engineering.

吉利（1981—），男，博士，研究員，主要研究方向為表面工程與摩擦學。郵箱：jili@licp.cas.cn

Corresponding author：JI Li (1981—), Male, Doctor, Researcher, Research focus: surface engineering and tribology. E-mail: jili@licp.cas.cn

通訊作者：李紅軒（1978—），男，博士，研究員，主要研究方向為表面工程與摩擦學。郵箱：lihx@licp.cas.cn

Corresponding author：LI Hong-xuan (1978—), Male, Doctor, Researcher, Research focus: surface engineering and tribology. E-mail: lihx@ licp.cas.cn

裴露露, 吉利, 李紅軒, 等.類富勒烯結構對含氫碳膜摩擦學性能的影響[J]. 表面技術, 2020, 49(6): 68-75.

TG174.4；TH117

A

1001-3660(2020)06-0068-08

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.008

2020-05-04；

2020-05-24

國家自然科學基金（51775537，U1637204）；中國科學院青年創新促進會（2016368）

Fund：Supported by the National Natural Science Foundation of China (51775537, U1637204) and the Chinese Academy of Sciences and Its Youth Innovation Promotion Association (2016368)

裴露露（1995—），女，博士研究生，主要研究方向為表面工程。

PEI Lu-lu, JI Li, LI Hong-xuan, et al. Effect of fullerene-like structure on tribological properties of hydrogenated carbon films[J]. Surface technology, 2020, 49(6): 68-75.