一種測定含氫類金剛石涂層在低溫下的熱膨脹系數的方法與流程

本發明屬于涂層技術領域，尤其涉及一種測定含氫類金剛石涂層在低溫下的熱膨脹系數的方法。

背景技術：

含氫類金剛石(a-C:H)涂層由于其在真空及干燥環境下具有極低的摩擦系數(<0.01)，特別適用于航天器中的固體潤滑零部件，如飛船或空間站的分離機構、鎖緊機構、對接機構、太陽能帆板機構的滾珠軸承、氧氣調節閥自動控制系統、陀螺儀及慣性控制系統以及太空資源鉆探設備的傳動機構等等需要固體潤滑的空間零部件。

作為空間零部件的固體潤滑涂層，其工作環境與常規地面環境差別很大，除了高真空條件外，空間零部件還要承受太空的超低溫環境(最低溫度約-250℃)。a-C:H涂層的沉積溫度一般為200-500℃，遠高于其在太空中的使用溫度，由于DLC涂層與基底材料的熱膨脹系數(Coefficient of Thermal Expansion，CTE)存在差異，勢必在涂層中產生較大的熱應力，容易在涂層中萌生裂紋甚至導致涂層剝落。為了避免這一問題發生，必須選擇熱膨脹系數與a-C:H涂層差別較小的基底材料，或者選擇熱膨脹系數介于a-C:H涂層與基底之間的材料作為緩沖層。不過，進行基材或緩沖層優選的前提是必須已知a-C:H涂層在超低溫環境下的熱膨脹系數，然而目前DLC涂層在超低溫環境下的熱膨脹性能的研究鮮有報道。因此，研究a-C:H涂層在超低溫環境下的熱膨脹性能，對于其在太空領域的應用具有重要的推動作用。

目前，a-C:H涂層熱膨脹性能報道較少，Champi等人(A.Champi,R.G.Lacerda,G.A.Viana and F.C.Marques.Journal of Non-Crystalline Solids,2004 (338-340):499-502)采用熱誘導彎曲法(Thermally induced bending，TIB)研究a-C:H的熱膨脹系數，所謂熱誘導彎曲法是基于涂層的熱應力公式和Stoney公式，即：Δσ＝E_f/(1-ν_f)(α_s-α_f)(T-T₀)，σ＝[E_s/(1-ν_s)]t_s2/6t_f(1/R-1/R₀)；式中，E、ν、α以及t分別為楊氏模量、泊松比、線膨脹系數和厚度；下標s和f分別表示襯底和涂層；R₀為在溫度T₀時樣品的曲率半徑，R為在溫度T時的樣品曲率半徑；通過加熱使涂層樣品溫度由T₀升高到T，由于涂層與基底熱膨脹系數的不匹配，涂層中會產生熱應力，而樣品在熱應力作用下曲率半徑會發生改變，然后將曲率半徑的改變量代入Stoney公式，進而計算涂層的熱應力，然后將熱應力結果代入熱應力公式計算得出涂層的熱膨脹系數。

然而，現有的測試方法只能給出a-C:H涂層在室溫下的熱膨脹系數，而無法獲得在低溫下的熱膨脹系數，因而無法對a-C:H涂層作為空間固體潤滑涂層在低溫環境下的使用給出指導作用。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種測定含氫類金剛石涂層在低溫下的熱膨脹系數的方法，旨在解決現有技術無法獲得含氫類金剛石(a-C:H)涂層在低溫下的熱膨脹系數的問題。

本發明是這樣實現的，一種測定含氫類金剛石涂層在低溫下的熱膨脹系數的方法，包括以下步驟：

(1)以兩種不同材料作為襯底制備a-C:H涂層樣品，分別得到A樣品和B樣品；

(2)在溫度T₀下，采用應力儀分別測量所述A樣品和所述B樣品的曲率半徑R_A0和R_B0；

(3)通過溫控系統將樣品溫度升高到T₁，保溫處理，然后分別測量所述A樣品和所述B樣品的曲率半徑R_A1和R_B1；

(4)采用Stoney公式分別計算所述A樣品和所述B樣品在ΔT＝T₁-T₀下樣品 的應力變化Δσ_A1和Δσ_B1，其表達式分別如下：

Δσ_A1＝E_f/(1-ν_f)(α_sA1-α_f)(T-T₀) (式1)，

Δσ_B1＝E_f/(1-ν_f)(α_sB1-α_f)(T-T₀) (式2)，

(5)將所述Δσ_A1和所述Δσ_B1的表達式相除，消去共同相E_f/(1-ν_f)(T-T₀)，經變形后可以得到a-C:H涂層的熱膨脹系數α_f1，表達式如下：

α_f1＝(Δσ_B1α_sA1-Δσ_A1α_sB1)/(Δσ_B1-Δσ_A1) (式3)，

式中，α_f1是T₀→T₁溫度區間內的平均線膨脹系數；

(6)重復上述步驟(3)-(5)的操作，通過依次測量T₂、T₃…T_i-1、T_i溫度下所述A樣品和所述B樣品的曲率半徑R_A2、R_A3…R_Ai-1、R_Ai和R_B2、R_B3…R_Bi-1、R_Bi，分別計算所述A樣品和所述B樣品在ΔT＝T_i-T_i-1下樣品的應力變化Δσ_Ai和Δσ_Bi，依次獲得所述a-C:H涂層在不同的溫度區間T_i-1→T_i內的平均線膨脹系數α_fi，其中i＝1、2、3…，得到

α_fi(T_i-1→T_i)≈α_fi[(T_i-1+T_i)/2] (式4)，

獲得所述a-C:H涂層的線膨脹系數隨溫度的變化曲線。

本發明提供的測定含氫類金剛石(a-C:H)涂層在低溫下的熱膨脹系數的方法，利用熱誘導彎曲法測量a-C:H涂層低溫范圍內的熱膨脹系數，并獲得熱膨脹系數隨溫度變化的關系曲線，特別是在低溫下(100-300K)熱膨脹系數隨溫度變化的關系曲線。從而為a-C:H涂層在低溫下的使用提供設計參數，進而有效降低a-C:H涂層與基底熱膨脹系數不匹配產生的熱應力對涂層使用性能的影響。

附圖說明

圖1是本發明實施例提供的在(100)單晶硅襯底上沉積a-C:H涂層后的結構示意圖；

圖2是本發明實施例提供的在銅襯底上沉積a-C:H涂層后的結構示意圖；

圖3是本發明實施例提供的(100)單晶硅在100-300K范圍內的線膨脹系 數隨溫度變化關系曲線圖；

圖4是本發明實施例提供的銅在100-300K范圍內的線膨脹系數隨溫度變化關系曲線圖；

圖5是本發明實施例提供的(100)單晶硅在100-300K范圍內楊氏模量及泊松比隨溫度變化關系曲線；

圖6是本發明實施例提供的銅在100-300K范圍內楊氏模量及泊松比隨溫度變化關系曲線。

具體實施方式

為了使本發明要解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

本發明實施例提供了一種測定含氫類金剛石涂層在低溫下的熱膨脹系數的方法，包括以下步驟：

(1)以兩種不同材料作為襯底制備a-C:H涂層樣品，分別得到A樣品和B樣品；

(2)在溫度T₀下，采用應力儀分別測量所述A樣品和所述B樣品的曲率半徑R_A0和R_B0；

(3)通過溫控系統將樣品溫度升高到T₁，保溫處理，然后分別測量所述A樣品和所述B樣品的曲率半徑R_A1和R_B1；

(4)采用Stoney公式分別計算所述A樣品和所述B樣品在ΔT＝T₁-T₀下樣品的應力變化Δσ_A1和Δσ_B1，其表達式分別如下：

Δσ_A1＝E_f/(1-ν_f)(α_sA1-α_f)(T-T₀) (式1)，

Δσ_B1＝E_f/(1-ν_f)(α_sB1-α_f)(T-T₀) (式2)，

(5)將所述Δσ_A1和所述Δσ_B1的表達式相除，消去共同相E_f/(1-ν_f)(T-T₀)，經變形后可以得到a-C:H涂層的熱膨脹系數α_f1，表達式如下：

α_f1＝(Δσ_B1α_sA1-Δσ_A1α_sB1)/(Δσ_B1-Δσ_A1) (式3)，

式中，α_f1是T₀→T₁溫度區間內的平均線膨脹系數；

(6)重復上述步驟(3)-(5)的操作，通過依次測量T₂、T₃…T_i-1、T_i溫度下所述A樣品和所述B樣品的曲率半徑R_A2、R_A3…R_Ai-1、R_Ai和R_B2、R_B3…R_Bi-1、R_Bi，分別計算所述A樣品和所述B樣品在ΔT＝T_i-T_i-1下樣品的應力變化Δσ_Ai和Δσ_Bi，依次獲得所述a-C:H涂層在不同的溫度區間T_i-1→T_i內的平均線膨脹系數α_fi，其中i＝1、2、3…，得到

α_fi(T_i-1→T_i)≈α_fi[(T_i-1+T_i)/2] (式4)，

獲得所述a-C:H涂層的線膨脹系數隨溫度的變化曲線。

具體的，上述步驟(1)中，所述作為襯底的兩種不同材料需滿足作為襯底材料的常規要求，如拋光處理后具有反射功能的襯底材料，且還需具備一定的剛性，防止使用過程中出現不規則或不均勻的彎曲變形現象。本發明實施例中，所述作為襯底的兩種不同材料為在T₀→T_i范圍內，熱膨脹系數、楊氏模量和泊松比已知的兩種不同材料，由此可用作計算下述步驟中所述A樣品和所述B樣品的應力變化Δσ_A1和Δσ_B1。本發明實施例所述作為襯底的兩種不同材料的熱膨脹系數、楊氏模量和泊松比的獲得，可以直接通過查閱文獻報道數據獲得，也可以通過整理文獻報道數據，擬合出數據曲線獲得。

作為一個具體實施例，所述兩種不同材料的襯底可以分別為(100)單晶硅襯底和銅襯底，在所述(100)單晶硅和所述銅襯底上沉積a-C:H涂層后的結構分別如圖1、圖2所示，其中10表示a-C:H涂層，20、30分別表示(100)單晶硅襯底和銅襯底。所述(100)單晶硅、所述銅在100-300K范圍內的線膨脹系數隨溫度變化關系曲線分別如圖3、圖4所示；所述(100)單晶硅、所述銅在100-300K范圍內楊氏模量及泊松比隨溫度變化關系曲線分別如圖5、圖6所示。

本發明實施例中，所采用的熱膨脹系數公式(見式1及式2)含有兩個未知變量，分別為涂層的雙軸彈性模量E_f/(1-ν_f)和涂層的熱膨脹系數α_f，因此通過 一個獨立方程無法求解，而是需要采用兩種具有不同熱膨脹系數的材料作為襯底，得到兩個獨立方程，通過聯立求解方程組可以進行求解。優選實施例，所述作為襯底的兩種不同材料的所述熱膨脹系數相對偏差要大于10％，而且相對偏差越大，計算誤差越小。

本發明實施例在襯底上制備a-C:H涂層樣品的方法不受限制，可以采用本領域常規方法實現，具體包括但不限于采用等離子體增強化學氣相沉積法或離子束沉積法實現。

上述步驟(2)中，采用應力儀分別測量所述A樣品和所述B樣品在溫度T₀下的曲率半徑R_A0和R_B0，所述應力儀為帶有低溫臺的應力儀，所述低溫范圍包括100-300K，即溫度可以從100-300K線性調節。

上述步驟(3)中，測量所述A樣品和所述B樣品的曲率半徑R_A1和R_B1前需要保溫處理，以保證A樣品和B樣品的溫度均勻性，從而獲得穩定可靠的曲率半徑數據。作為優選實施例，所述保溫處理的時間≥2min。

本發明實施例中，所述T₁以及后續T₂、T₃…T_i-1、T_i的選擇，沒有明確的具體溫度點值要求，當然，應當理解，ΔT即T_i-T_i-1較小，則獲得的α_fi的數據越多，從而獲得的所述a-C:H涂層的線膨脹系數隨溫度的變化曲線越精確可靠。但是當所述ΔT過小時，由于溫度本身可能帶來的誤差被放大，反而不利于獲得準確的所述a-C:H涂層的線膨脹系數。作為優選實施例，所述ΔT滿足：5K≤ΔT≤50K。進一步的，所述ΔT優選滿足：10K≤ΔT≤50K。

上述步驟(4)中，所述Stoney公式具體為

σ＝[E_s/(1-ν_s)]t_s²/6t_f(1/R-1/R₀) (式5)。

通過該公式5，可以計算獲得所述A樣品和所述B樣品在ΔT＝T₁-T₀下樣品的應力變化Δσ_A1和Δσ_B1，具體如式1、式2所示。

上述步驟(5)中，將上述式1、式2相除，經過消除公因式及變形后，可以獲得a-C:H涂層的熱膨脹系數α_f1，表達式如式3所示，由此獲得T₀→T₁溫度區間內的平均線膨脹系數α_f1。

上述步驟(6)中，重復上述步驟(3)-(5)的操作，可以依次獲得T₂、T₃…T_i-1、T_i溫度下平均線膨脹系數α_fi，其中i＝1、2、3…。

具體的，在已經測得所述A樣品和所述B樣品在溫度T₁下的曲率半徑R_A1和R_B1的情況下，重復步驟(3)，將樣品溫度繼續升高到T₃，保溫并測量所述A樣品和所述B樣品的曲率半徑R_A2和R_B2，然后重復步驟(4)、(5)得到a-C:H涂層在T₂→T₃溫度區間內的平均線膨脹系數α_f2；按照同樣的方法，逐步測量出a-C:H涂層在不同的溫度區間T_i-1→T_i內的平均線膨脹系數α_fi，其中i＝1、2、3…；由于材料的線膨脹系數在100-300K溫度區間內一般是單調線性變化的，在ΔT＝T_i-T_i-1足夠小的情況下，

可以認為a-C:H涂層的線膨脹系數在ΔT溫度范圍內近似為恒量，則有以下關系成立：

α_fi(T_i-1→T_i)≈α_fi[(T_i-1+T_i)/2] (式4)

由此獲得所述a-C:H涂層的線膨脹系數隨溫度的變化曲線，其中，所述α_fi是指在T_i-1→T_i溫度范圍內的平均線膨脹系數，并近似等于T＝(T_i-1+T_i)/2溫度時的線膨脹系數。

本發明實施例中，所述T₀→T_i的溫度區間的測量溫度區間范圍為0-1000K。此處，應理解為，所述T₀最低可至0K，所述T_i最高可至1000K，即所述T₀≥0K；所述T_i≤1000K。進一步的，優選為T₀＝100K，T_i＝300K。

作為優選實施例，所述ΔT滿足：5K≤ΔT≤20K；進一步優選為，所述ΔT滿足：10K≤ΔT≤20K。此處，由于ΔT＝T_i-T_i-1足夠小，可以認為a-C:H涂層的線膨脹系數在ΔT溫度范圍內近似為一恒量。

本發明實施例中，所述T_i的設置需滿足所述A樣品和所述B樣品在該溫度下不發生變形、氧化即可。因此，本發明實施例所述方法可用于常溫、高溫下所述a-C:H涂層的線膨脹系數的測定。作為優選實施例，所述最高測試溫度不低于300K。即本發明實施例特別用于低溫環境下所述a-C:H涂層的線膨脹系數的測定。

本發明實施例所述測量方法基于熱應力公式和Stoney公式，選擇在低溫范圍內具有已知熱膨脹系數以及楊氏模量和泊松比的兩種不同的材料作為基底，在兩種不同的基底上沉積a-C:H涂層；然后，通過測量在升溫過程中兩種涂層樣品的曲率半徑變化，利用Stoney公式和熱應力公式計算a-C:H涂層在不同溫度下的熱膨脹系數，并獲得a-C:H涂層在低溫范圍內的熱膨脹系數隨溫度的變化關系曲線。

本發明實施例提供的測定含氫類金剛石(a-C:H)涂層在低溫下的熱膨脹系數的方法，利用熱誘導彎曲法測量a-C:H涂層低溫范圍內的熱膨脹系數，并獲得熱膨脹系數隨溫度變化的關系曲線，特別是在低溫下(100-300K)熱膨脹系數隨溫度變化的關系曲線。從而為a-C:H涂層在低溫下的使用提供設計參數，進而有效降低a-C:H涂層與基底熱膨脹系數不匹配產生的熱應力對涂層使用性能的影響。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。