Sensofar共聚焦白光幹涉儀用於摩擦過程中W-C:H塗層的轉移層演變

該案例研究專(zhuan) 注於(yu) 開發具有高硬度和同時具有較低摩擦係數的納米複合W-C:H塗層。我們(men) 研究了在混合PVD-PECVD工藝中由添加到濺射大氣中的烴（主要是乙炔）得到的不同氫化碳基質含量的W-C:H塗層係統。塗層是使用三種不同的PVD技術（直流磁控濺射、HiPIMS、HiTUS）製備的，通過不同的烴氣添加來控製氫化碳的含量。

由於(yu) 此處研究的塗層的摩擦行為(wei) 是由球上的轉移層形成來控製的，而我們(men) 早期的工作重點是研究硬度和摩擦係數之間的基本關(guan) 係，因此重點轉向了轉移層本身的演變的研究。

重要的是要注意，濕度是氫化碳（基）塗層摩擦中的一個(ge) 非常重要的因素。在潮濕的空氣和氮氣中測試了幾種含有不同量的碳和氫的W-C:H塗層。到目前為(wei) 止，傳(chuan) 統的光學顯微鏡、SEM/EDS、SEM/FIB（圖1）和拉曼光譜被用來評估轉移層形成的不同方麵。但是，我們(men) 引入了使用3D米兰竞猜足球官网首页，Plu neox，獲得的信息，它為(wei) 整個(ge) 接觸區域內(nei) 的轉移層提供了進一步的定性和定量信息。

這種方法並不是完*新的，早在2003年Scharf和Singer[Tribol. Letters, vol. 14, No1 and No2]就結合了拉曼與(yu) 2D光學輪廓測量來評估a-C:H納米複合塗層中的轉移層厚度。據我們(men) 所知，我們(men) 不知道有任何研究在納米複合W-C:H塗層中以及如此廣泛的範圍內(nei) 應用共焦3D光學輪廓測量。

圖1. 與(yu) 各種W-C:H塗層和在不同條件下的摩擦過程中，在磨損球帽上形成的轉移層的SEM（及光學顯微鏡）顯微照片。

在直徑為(wei) 6毫米的鋼軸承球上，摩擦過程中會(hui) 形成一個(ge) 磨損的球帽，並在其上形成轉移層，這強烈地影響了最終的摩擦係數。磨損帽的直徑約為(wei) 200-400微米，轉移層隻覆蓋了這一接觸區域的部分：沿著前沿形成了一個(ge) 厚而密實但嚴(yan) 重破裂的層，而在接觸區域的中心部分則出現了一個(ge) 更薄的轉移層。

將使用3D米兰竞猜足球官网首页Plu neox的共焦模式，並使用20X的物鏡放大，來計算：

1. 由於(yu) 磨損而失去的球材料的數量。

2. 磨損球帽上轉移層的厚度及其在接觸區域上的分布。基於(yu) 這些信息，可以建立沉積條件、組成和塗層結構與(yu) 摩擦/磨損耐受性和轉移層之間的相關(guan) 性。

為(wei) 了獲得這些數據，我們(men) 對初始球、測試後的磨損球帽（一些例子顯示在圖2、3和4中）進行了3D地形測量，並與(yu) 和不帶轉移層的情況進行了比較。轉移層的厚度的3D分布可以作為(wei) 最後兩(liang) 張圖像之間的差異獲得，而球的磨損體(ti) 積則可以作為(wei) 初始球和不帶轉移層的球之間的差異獲得。

圖2. 使用共焦技術獲得的3D地形圖（2D和3D視圖）。在潮濕空氣和流動氮氣環境中，鋼球與(yu) W-C:H塗層摩擦時，磨損球帽上的轉移層的演變。

Plu neox旨在測量磨損球帽上轉移層的體(ti) 積厚度及其在整個(ge) 接觸區域的分布。這提供了關(guan) 於(yu) 轉移層在改善W-C:H塗層摩擦性能中的作用的重要信息，以及隨後優(you) 化塗層結構和組成，以在不同環境中獲得最佳的摩擦學性能。

圖3. 在維持相同的W-C:H塗層條件下，應用於(yu) 潮濕空氣(a)和流動氮氣(b)的相同摩擦學測試的3D地形圖。

圖4. 接觸區中劃痕區域的地形，轉移層填充了溝槽；溝槽的剖麵也由FIB橫截麵揭示。

我們(men) 已經測量了在摩擦測試中到預定長度的所研究的W-C塗層/鋼球係統中轉移層和鋼球磨損的演變。結果顯示在下表中：

我們(men) 的主要目標是3D可視化摩擦過程中形成的W-C:H塗層的轉移層，已經實現。處理接觸區域的表麵地形與(yu) 和不帶轉移層的區域使我們(men) 可以減去由於(yu) 其磨損而失去的球體(ti) 的體(ti) 積的貢獻，並僅(jin) 量化轉移層的體(ti) 積。因此，可以獲得理解轉移層的形成與(yu) W-C:H塗層的摩擦性能之間的關(guan) 係的關(guan) 鍵數據。

我們(men) 使用Plu neox在共焦模式下，使用20X的物鏡來研究鋼球和W-C:H塗層之間的摩擦試驗後的接觸表麵的地形。這種組合在一次拍攝中提供了足夠的分辨率。在有限的情況下，可能需要使用150X的物鏡和拚接圖像來獲得更高的細節。但是，對於(yu) 一般目的和一致的條件，20X的物鏡就足夠了。

通過常規的明場和DIC模式的光學顯微鏡以及SE和BSE模式的SEM觀察了接觸表麵。這兩(liang) 種技術都提供了有價(jia) 值的信息，但是關(guan) 於(yu) 研究層的體(ti) 積的定量信息是不可用的。3D米兰竞猜足球官网首页能夠提供關(guan) 於(yu) 地形的附加信息，不僅(jin) 包括具有廣泛操縱其圖形的可能性的3D圖像，而且還可以獲得線性輪廓、體(ti) 積和表麵數據（此外還有來自線性測量的數據，也可以從(cong) 光學和掃描電子顯微鏡獲得）。因此，共焦顯微鏡成為(wei) 了與(yu) SEM和光學顯微鏡這樣的既定技術相當重要的補充技術。此外，同時獲得的附加定量信息使3D光學輪廓測量比常規的光學顯微鏡更具有優(you) 勢，尤其是當必須想象不規則的表麵時。因此，對於(yu) 我們(men) 研究的目的，共焦顯微鏡似乎是*好的技術。

使用Sensofar Plu neox，所需的信息很容易獲得。由於(yu) 其簡單和快速，良好的圖形用戶界麵和其定量輸出，我們(men) 經常在實驗室中用它來觀察摩擦試驗後的接觸表麵。它也成為(wei) 了過去經常為(wei) 相同目的應用的常規接觸輪廓儀(yi) 的首*。