本發(fā)明屬于涂層技術(shù)領(lǐng)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(shù)的方法。

背景技術(shù)：

含氫類金剛石(a-C:H)涂層由于其在真空及干燥環(huán)境下具有極低的摩擦系數(shù)(<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(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)、對(duì)接機(jī)構(gòu)、太陽能帆板機(jī)構(gòu)的滾珠軸承、氧氣調(diào)節(jié)閥自動(dòng)控制系統(tǒng)、陀螺儀及慣性控制系統(tǒng)以及太空資源鉆探設(shè)備的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)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(huán)境與常規(guī)地面環(huán)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(huán)境(最低溫度約-250℃)。a-C:H涂層的沉積溫度一般為200-500℃，遠(yuǎn)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(shù)(Coefficient of Thermal Expansion，CTE)存在差異，勢必在涂層中產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，容易在涂層中萌生裂紋甚至導(dǎo)致涂層剝落。為了避免這一問題發(fā)生，必須選擇熱膨脹系數(shù)與a-C:H涂層差別較小的基底材料，或者選擇熱膨脹系數(shù)介于a-C:H涂層與基底之間的材料作為緩沖層。不過，進(jìn)行基材或緩沖層優(yōu)選的前提是必須已知a-C:H涂層在超低溫環(huán)境下的熱膨脹系數(shù)，然而目前DLC涂層在超低溫環(huán)境下的熱膨脹性能的研究鮮有報(bào)道。因此，研究a-C:H涂層在超低溫環(huán)境下的熱膨脹性能，對(duì)于其在太空領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的推動(dòng)作用。

目前，a-C:H涂層熱膨脹性能報(bào)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(dǎo)彎曲法(Thermally induced bending，TIB)研究a-C:H的熱膨脹系數(shù)，所謂熱誘導(dǎo)彎曲法是基于涂層的熱應(yīng)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(shù)和厚度；下標(biāo)s和f分別表示襯底和涂層；R₀為在溫度T₀時(shí)樣品的曲率半徑，R為在溫度T時(shí)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(shù)的不匹配，涂層中會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，而樣品在熱應(yīng)力作用下曲率半徑會(huì)發(fā)生改變，然后將曲率半徑的改變量代入Stoney公式，進(jìn)而計(jì)算涂層的熱應(yīng)力，然后將熱應(yīng)力結(jié)果代入熱應(yīng)力公式計(jì)算得出涂層的熱膨脹系數(shù)。

然而，現(xiàn)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(shù)，而無法獲得在低溫下的熱膨脹系數(shù)，因而無法對(duì)a-C:H涂層作為空間固體潤滑涂層在低溫環(huán)境下的使用給出指導(dǎo)作用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)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(shù)的方法，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)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(shù)的問題。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種測定含氫類金剛石涂層在低溫下的熱膨脹系數(shù)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(yīng)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(tǒng)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(jì)算所述A樣品和所述B樣品在ΔT＝T₁-T₀下樣品 的應(yīng)力變化Δσ_A1和Δσ_B1，其表達(dá)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(dá)式相除，消去共同相E_f/(1-ν_f)(T-T₀)，經(jīng)變形后可以得到a-C:H涂層的熱膨脹系數(shù)α_f1，表達(dá)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(qū)間內(nèi)的平均線膨脹系數(shù)；

(6)重復(fù)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(jì)算所述A樣品和所述B樣品在ΔT＝T_i-T_i-1下樣品的應(yīng)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(qū)間T_i-1→T_i內(nèi)的平均線膨脹系數(shù)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(shù)隨溫度的變化曲線。

本發(fā)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(shù)的方法，利用熱誘導(dǎo)彎曲法測量a-C:H涂層低溫范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)，并獲得熱膨脹系數(shù)隨溫度變化的關(guān)系曲線，特別是在低溫下(100-300K)熱膨脹系數(shù)隨溫度變化的關(guān)系曲線。從而為a-C:H涂層在低溫下的使用提供設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)而有效降低a-C:H涂層與基底熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生的熱應(yīng)力對(duì)涂層使用性能的影響。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的在(100)單晶硅襯底上沉積a-C:H涂層后的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的在銅襯底上沉積a-C:H涂層后的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的(100)單晶硅在100-300K范圍內(nèi)的線膨脹系 數(shù)隨溫度變化關(guān)系曲線圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的銅在100-300K范圍內(nèi)的線膨脹系數(shù)隨溫度變化關(guān)系曲線圖；

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

圖6是本發(fā)明實(shí)施例提供的銅在100-300K范圍內(nèi)楊氏模量及泊松比隨溫度變化關(guān)系曲線。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明實(shí)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(shù)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(yīng)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(tǒng)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(jì)算所述A樣品和所述B樣品在ΔT＝T₁-T₀下樣品的應(yīng)力變化Δσ_A1和Δσ_B1，其表達(dá)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(dá)式相除，消去共同相E_f/(1-ν_f)(T-T₀)，經(jīng)變形后可以得到a-C:H涂層的熱膨脹系數(shù)α_f1，表達(dá)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(qū)間內(nèi)的平均線膨脹系數(shù)；

(6)重復(fù)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(jì)算所述A樣品和所述B樣品在ΔT＝T_i-T_i-1下樣品的應(yīng)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(qū)間T_i-1→T_i內(nèi)的平均線膨脹系數(shù)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(shù)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(guī)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(xiàn)不規(guī)則或不均勻的彎曲變形現(xiàn)象。本發(fā)明實(shí)施例中，所述作為襯底的兩種不同材料為在T₀→T_i范圍內(nèi)，熱膨脹系數(shù)、楊氏模量和泊松比已知的兩種不同材料，由此可用作計(jì)算下述步驟中所述A樣品和所述B樣品的應(yīng)力變化Δσ_A1和Δσ_B1。本發(fā)明實(shí)施例所述作為襯底的兩種不同材料的熱膨脹系數(shù)、楊氏模量和泊松比的獲得，可以直接通過查閱文獻(xiàn)報(bào)道數(shù)據(jù)獲得，也可以通過整理文獻(xiàn)報(bào)道數(shù)據(jù)，擬合出數(shù)據(jù)曲線獲得。

作為一個(gè)具體實(shí)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(jié)構(gòu)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(nèi)的線膨脹系數(shù)隨溫度變化關(guān)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(nèi)楊氏模量及泊松比隨溫度變化關(guān)系曲線分別如圖5、圖6所示。

本發(fā)明實(shí)施例中，所采用的熱膨脹系數(shù)公式(見式1及式2)含有兩個(gè)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(shù)α_f，因此通過 一個(gè)獨(dú)立方程無法求解，而是需要采用兩種具有不同熱膨脹系數(shù)的材料作為襯底，得到兩個(gè)獨(dú)立方程，通過聯(lián)立求解方程組可以進(jìn)行求解。優(yōu)選實(shí)施例，所述作為襯底的兩種不同材料的所述熱膨脹系數(shù)相對(duì)偏差要大于10％，而且相對(duì)偏差越大，計(jì)算誤差越小。

本發(fā)明實(shí)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(lǐng)域常規(guī)方法實(shí)現(xiàn)，具體包括但不限于采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法或離子束沉積法實(shí)現(xiàn)。

上述步驟(2)中，采用應(yīng)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(yīng)力儀為帶有低溫臺(tái)的應(yīng)力儀，所述低溫范圍包括100-300K，即溫度可以從100-300K線性調(diào)節(jié)。

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(wěn)定可靠的曲率半徑數(shù)據(jù)。作為優(yōu)選實(shí)施例，所述保溫處理的時(shí)間≥2min。

本發(fā)明實(shí)施例中，所述T₁以及后續(xù)T₂、T₃…T_i-1、T_i的選擇，沒有明確的具體溫度點(diǎn)值要求，當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)理解，ΔT即T_i-T_i-1較小，則獲得的α_fi的數(shù)據(jù)越多，從而獲得的所述a-C:H涂層的線膨脹系數(shù)隨溫度的變化曲線越精確可靠。但是當(dāng)所述ΔT過小時(shí)，由于溫度本身可能帶來的誤差被放大，反而不利于獲得準(zhǔn)確的所述a-C:H涂層的線膨脹系數(shù)。作為優(yōu)選實(shí)施例，所述ΔT滿足：5K≤ΔT≤50K。進(jìn)一步的，所述ΔT優(yōu)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(jì)算獲得所述A樣品和所述B樣品在ΔT＝T₁-T₀下樣品的應(yīng)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(jīng)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(shù)α_f1，表達(dá)式如式3所示，由此獲得T₀→T₁溫度區(qū)間內(nèi)的平均線膨脹系數(shù)α_f1。

上述步驟(6)中，重復(fù)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(shù)α_fi，其中i＝1、2、3…。

具體的，在已經(jīng)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(fù)步驟(3)，將樣品溫度繼續(xù)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(fù)步驟(4)、(5)得到a-C:H涂層在T₂→T₃溫度區(qū)間內(nèi)的平均線膨脹系數(shù)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(qū)間T_i-1→T_i內(nèi)的平均線膨脹系數(shù)α_fi，其中i＝1、2、3…；由于材料的線膨脹系數(shù)在100-300K溫度區(qū)間內(nèi)一般是單調(diào)線性變化的，在ΔT＝T_i-T_i-1足夠小的情況下，

可以認(rèn)為a-C:H涂層的線膨脹系數(shù)在ΔT溫度范圍內(nèi)近似為恒量，則有以下關(guān)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(shù)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(nèi)的平均線膨脹系數(shù)，并近似等于T＝(T_i-1+T_i)/2溫度時(shí)的線膨脹系數(shù)。

本發(fā)明實(shí)施例中，所述T₀→T_i的溫度區(qū)間的測量溫度區(qū)間范圍為0-1000K。此處，應(yīng)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(jìn)一步的，優(yōu)選為T₀＝100K，T_i＝300K。

作為優(yōu)選實(shí)施例，所述ΔT滿足：5K≤ΔT≤20K；進(jìn)一步優(yōu)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(rèn)為a-C:H涂層的線膨脹系數(shù)在ΔT溫度范圍內(nèi)近似為一恒量。

本發(fā)明實(shí)施例中，所述T_i的設(shè)置需滿足所述A樣品和所述B樣品在該溫度下不發(fā)生變形、氧化即可。因此，本發(fā)明實(shí)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(shù)的測定。作為優(yōu)選實(shí)施例，所述最高測試溫度不低于300K。即本發(fā)明實(shí)施例特別用于低溫環(huán)境下所述a-C:H涂層的線膨脹系數(shù)的測定。

本發(fā)明實(shí)施例所述測量方法基于熱應(yīng)力公式和Stoney公式，選擇在低溫范圍內(nèi)具有已知熱膨脹系數(shù)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(yīng)力公式計(jì)算a-C:H涂層在不同溫度下的熱膨脹系數(shù)，并獲得a-C:H涂層在低溫范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系曲線。

本發(fā)明實(shí)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(shù)的方法，利用熱誘導(dǎo)彎曲法測量a-C:H涂層低溫范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)，并獲得熱膨脹系數(shù)隨溫度變化的關(guān)系曲線，特別是在低溫下(100-300K)熱膨脹系數(shù)隨溫度變化的關(guān)系曲線。從而為a-C:H涂層在低溫下的使用提供設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)而有效降低a-C:H涂層與基底熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生的熱應(yīng)力對(duì)涂層使用性能的影響。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。