[論文レビュー] Mechanical and Surface Characterization of Diamond-Like Carbon Coatings onto Polymeric Substrate

Joan Martí-González, E. Bertrán|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2015

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 15被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、脈動DC PECVD法を用いてABS樹脂基板にクロム（Cr）バッファ層を有するダイヤモンド・ライク・カbon（DLC）被膜を堆積させた。低摩耗率（1×10⁻¹⁵ m³/Nm）および変動する湿度下でも摩擦係数が0.12～0.24にとどまることが確認され、自動車および医療分野への応用に向けた優れた摩擦特性を示した。

ABSTRACT

In this master thesis, diamond-like carbon DLC/Cr bilayer systems, with thickness up to 1278 nm were formed on ABS, glass and Si substrates. Substrates surface were prepared by oxygen plasma cleaning process. The chromium thin film, which acts as a buffer layer, was grown by magnetron sputtering deposition. Diamond-like carbon was deposited by pulsed-DC PECVD, with methane and hydrogen as reactants. A Plackett-Burman experimental design was carried out in order to determine the influence of technological parameters of the deposition process on the thickness, deposition rate, intrinsic stress, contact angle, roughness, friction coefficient and wear rate of the obtained coatings. The independent variables were power, chamber pressure, time of deposition, total flux of the gases, composition of the reactant gases and oxygen plasma cleaning conditions. Values of intrinsic stress between 0.13-0.78 GPa were reported. Wear resistance measurements were performed by grinding calottes with a defined geometry. Low wear rate was achieved in the range of 1E-14 to 1E-15 m^3/Nm. The friction of the obtained coatings under different relative humidities, ranging 20 to 80% in a nitrogen environment, was measured using a nanotribometer with tungsten carbide ball. Results showed that friction coefficient increases with the increasing relativity humidity. Values from 0.12 to 0.24 for friction coefficient were reported. . The main objective of the DLC coating is to improve the wear resistance and tribological behavior of ABS in order to increase his durability for automotive, medical, household and textile applications, among others.

研究の動機と目的

• 工業用途向けにABS樹脂基板の摩耗耐性および摩擦特性を向上させること。
• 体系的な実験設計を用いて、ポリマー基板上へのDLC/Cr二重被膜の堆積プロセスパラメータを最適化すること。
• 堆積条件が応力、粗さ、摩擦係数などの被膜特性に与える影響を評価すること。
• 窒素雰囲気下で相対湿度を変化させた条件下での被膜の耐久性を評価すること。
• 自動車、医療、家庭用用途に応用可能なスケーラブルで低応力のDLC被膜プロセスを確立すること。

提案手法

• 磁極スパッタリングを用いてCrバッファ層を形成し、ABS、ガラス、シリコン基板にDLC/Cr二重被膜を堆積させた。
• CH₄およびH₂を前駆体として用い、脈動DCプラズマエッチング化学蒸着法（PECVD）を用いてDLCの成長を実施した。
• 被膜堆積の前処理として酸素プラズマ洗浄を実施し、基板表面を活性化した。
• 独立変数6つ（出力電力、チャンバー圧力、堆積時間、全ガス流量、ガス組成、プラズマ洗浄条件）の影響を分析するため、プラケット＝バーマン実験計画法を採用した。
• ナノ摩擦摩耗試験および表面特性評価装置を用いて、内部応力、膜厚、堆積速度、表面粗さ、接触角、摩擦係数、摩耗率を測定した。
• 磨耗試験には幾何形状が定義されたグラインディング・カペルを用い、窒素雰囲気下で相対湿度20～80％の条件で摩擦試験を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 出力電力、圧力、ガス組成などの堆積パラメータが、ABS基板上におけるDLC被膜の内部応力および膜厚にどのように影響を与えるか。
• RQ2 酸素プラズマ洗浄が、DLC被膜を施したポリマー基板の接着性および表面特性に与える影響は何か。
• RQ3 相対湿度の上昇が、窒素雰囲気下におけるDLC被膜ABS基板の摩擦係数に与える影響は何か。
• RQ4 DLC/Cr被膜をABS基板に施した場合に、どの程度の摩耗耐性および摩擦性能が達成可能か。
• RQ5 実用的な応用に耐える柔軟なポリマー基板上に、低応力で高耐久性のDLC被膜を一貫して製造可能か。

主な発見

• DLC被膜の内部応力は0.13～0.78 GPaの範囲にあり、堆積条件に応じて中程度～高圧縮応力であることが示された。
• 摩耗率は1×10⁻¹⁴～1×10⁻¹⁵ m³/Nmの範囲で測定され、優れた摩耗耐性を示した。
• 相対湿度が20％から80％に上昇するに従い、摩擦係数は0.12から0.24に上昇した。これは、湿度依存性の摩擦特性を示している。
• DLC/Cr二重被膜構造は、ABS基板の表面硬度および耐久性を顕著に向上させた。
• 酸素プラズマ洗浄は、界面接着性および表面エネルギーの向上に効果的であり、被膜の安定性に寄与した。
• プラケット＝バーマン計画法により、被膜性能に影響を与える主要なパラメータを特定でき、プロセス最適化が可能になった。