Powłoki węglowe domieszkowane krzemem wytwarzane metodą RF PACVD

• Autorzy: Jędrzejczak A. , Batory D. , Cłapa M. , Makówka M. , Niedzielski P.

Warianty tytułu

EN

Silicon-doped diamond-like carbon coatings produced by RF PACVD method

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono wyniki wstępnych badań właściwości kompozytowych warstw diamentopodobnego węgla domieszkowanych krzemem, wytworzonych hybrydową metodą RF PACVD/MS na utlenianym w wyładowaniu jarzeniowym stopie tytanu Ti6Al7Nb. Stwierdzono, iż całkowita grubość warstwy utlenionej na powierzchni substratu wynosi ok. 100 um, natomiast badania twardości na przekroju poprzecznym wykazały ponad dwukrotny wzrost tego parametru w porównaniu z niemodyfikowanym stopem tytanu. Technologia syntezy warstw Si-DLC obejmowała zastosowanie międzywarstwy o charakterze gradientowym Ti-TixCy o grubości ok. 200 nm w celu poprawy adhezji finalnych powłok na bazie węgla i krzemu. W celu uzyskania różnych koncentracji krzemu powłoki były wytwarzane z mieszaniny metanu oraz oparów ciekłego prekursora krzemoorganicznego (heksametylodisiloksanu) przy różnym stosunku przepływu oraz w szerokim zakresie ujemnego potencjału autopolaryzacji elektrody w.cz. Wykazano, iż metodą RF PACVD Z wykorzystaniem mieszaniny metan/heksametylodisiloksan można wytworzyć jednorodną, dobrze przylegającą do zastosowanego podłoża powłokę węglową domieszkowaną krzemem. Zbadano prędkości nanoszenia oraz przeprowadzono badania składu chemicznego i właściwości mechanicznych uzyskanych warstw. Skład chemiczny prekursora krzemoorganicznego przyczynił się do znacznego wzrostu prędkości nanoszenia, wykazując praktycznie jej liniowy wzrost wraz ze zwiększającą się koncentracją oparów ciekłego prekursora krzemoorganicznego. Zaobserwowano zwiększenie twardości warstw towarzyszące wzrostowi stosunku CH4/HMDSO dla wysokich wartości ujemnego potencjału autopolaryzacji (800÷1000 V) oraz znaczny spadek tego parametru W przypadku małej wartości Up (600 V). Dla wszystkich badanych powłok, niezależnie od wartości ujemnego potencjału autopolaryzacji, stwierdzono znaczące zmniejszenie modułu Younga postępujące wraz ze zmniejszającym się stosunkiem przepływu CH4/HMDSO.

EN

This paper presents the results of a preliminary study of properties of silicon-doped diamond-like carbon composite layers produced by a hybrid RF PACVD/MS method onto oxidized in the glow discharge titanium Ti6Al7Nb alloy. lt was found that the total thickness ofthe oxidized layer on the surface of the substrate was about 100 um, and the hardness tests on the cross section have shown double increase of this parameter compared to the unmodified titanium alloy. The technology of synthesis of Si-DLC layers included the use of a gradient Ti-TixCy interlayer of 200 nm in thickness in order to improve the adhesion of the final carbon and silicon based coating. In order to obtain different concentrations of silicon, the coatings were produced from a mixture of methane and vapour of liquid organosilicon precursor (hexamethyldisiloxane) at a different gas flow ratios and a wide range of negative self-bias. It has been shown that by the RF PACVD method, using a methane/ hexamethyldisiloxane mixture, the uniform and well adherent silicone doped carbon coatings can be produced. The deposition rates, chemical composition as well as mechanical properties of the obtained layers were studied. The chemical composition of organosilicon precursor contributed to a significant increase of the deposition rates and showed its almost linear increase with increasing concentration of the vapours. For high values of the negative selfbias (800÷1000 V) an increase in the hardness of the layers with increased CH4/HMDSO flow ratio was observed. Whereas considerable decrease of this parameter was observed in the case of low Up (600 V) value. The significant decrease in the Young's modulus progressing with decreasing CH4/ HMDSO flow ratio for all examined coatings, regardless of the negative selfbias potential, was found.

Słowa kluczowe

PL

warstwy diamentopodobnego węgla; domieszkowanie krzemu; metoda RF PACVD

EN

diamond-like carbon; silicon doping; RF PACVD method

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 34, nr 5
• Strony: 459--462
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Jędrzejczak A.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Łódzka

autor

Batory D.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Łódzka

autor

Cłapa M.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Łódzka

autor

Makówka M.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Łódzka

autor

Niedzielski P.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Łódzka

Bibliografia

• [1] Mitura S., Mitura A., Niedzielski P., Couvrat P.: Nanocrystalline diamond coatings. Nanotechnology in Materials Science, Pergamon Press, Elsevier, 10 (1999) 2l65÷2l76.
• [2] Mitura K., Niedzielski P., Bartosz G., Moll J., Walkowiak B., Pawłowska Z., Louda P., Kieć-Świerczyńska M., Mitura S.: Interactions between carbon coatings and tissue. Surface & Coatings Technology 201 (2006) 21 17÷2123.
• [3] Wu W. J, Hon M. H.:Thermal stability of diamond-like carbon films with added silicon. Surface and Coatings Technology 111 (1999) 134÷140.
• [4] Masahito Bana, Takeshi Hasegawab: Intemal stress reduction by incorporation of silicon in diamond-like carbon films. Surface and Coatings Technology 162 (2002) 1÷5.
• [5] Charitidis C. A.: Nanomechanical and nanotribological properties of carbon-based thin films: A review. Int. Journal of Refractory Metals & Hard Materials 28 (2010) 51÷70.
• [6] Pu J.-C.,Wang S.-F., Lin C.-L., Sung J. C.:Characterization of borondoped diamond-like carbon prepared by radio frequency sputtering. Thin Solid Films 519 (2010) 521÷526.
• [7] Batory D., Gorzędowski J., Kołodziejczyk Ł., Szymański W.: Modification of diamond-like carbon coatings by silver ion implantation. Engineering of Biomaterials 105 (2011) 5÷12.
• [8] Batory D., Wilczek R., Szymański W., Cłapa M.: Analiza strukturalna i fazowa nanokompozytowych warstw a-C:H/Ti wytworzonych hybrydową metodą RF PACVD/MS. Inżynieria Materiałowa 4 (2010) 856÷859.
• [9] Ai-Ying W., Kwang-Ryeol L., Jae-Pyoung A., Jun Hee H.: Structure and mechanical properties of W incorporated diamond-like carbon films prepared by a hybrid ion beam deposition technique. Carbon 44 (2006) 1826÷1832.
• [10] Hasebe T., Nagashima S., Kamijo A., Yoshimura T., Ishimaru, Yoshimoto Y., Yohena S., Kodama H., Hotta A., Takahashi K., Suzuki T.: Depth profiling of fluorine-doped diamond-like carbon (F-DLC) film: Localized fiuorine in the top-most thin layer can enhance the non-thrombogenic properties of F-DLC. Thin Solid Films 516 (2007) 299÷303.
• [11] Zhang W., Tanaka A., Wazumi K., Koga Y.: Mechanical and tribological properties ofAr incorporated diamond-like carbon films. Thin Solid Films 416 (2002) 145÷152.
• [12] Roy R. K., Choi H. W., Yi J. W., Moon M.-W., Lee K.-R., Han D. K., Shin J. H., Kamijo A., Hasebe T.: Hemocompatibility of surface-modified, silicon-incorporated, diamond-like carbon films. Acta Biomaterialia 5 (2009) 249÷256.
• [13] Ong O.-E., Zhang S., Du H., Too H.-C., Aung K.-N.: Influence of silicon concentration on the haemocompatibility of amorphous carbon. Biomaterials 28 (2007) 4033÷4038.
• [14] Chouquet C., Ducros C., Barrat S., Billard A., Sanchette F.: Mechanical properties of a-C:H/Si-containing a-C:H multilayered coatings grown by LF-PECVD. Surface & Coatings Technology 203 (2008) 745÷749.
• [15] Lee K.-R., Kima M.-G., Choa S.-J., Euna K.-Y., Seongb T.-Y.: Structural dependence of mechanical properties of Si incorporated diamond-like carbon films deposited by RF plasma-assisted chemical vapour deposition. Thin Solid Films 308-309 (1997) 263÷267.
• [16] Januszewicz B., Wendler B., Liśkiewicz T., Kaczmarek Ł.: Structure and hardness of Ti6Al4V alloy after hardening treatment by oxidation. Inżynieria Materiałowa 5 (2005) 654÷656.
• [17] Batory D., Wilczek R., Szymański W., Cłapa M.: Analiza strukturalna i fazowa nanokompozytowych warstw a-C:H/Ti wytworzonych hybrydową metodą RF PACVD/MS. Inżynieria Materiałowa 4 (2010) 856÷859.
• [18] Batory D., Stanishevsky A., Kaczorowski W.: The effect of deposition parameters on the properties ofgradient a-C:H/Ti layers. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 37 (2009) 381÷386.
• [19] Batory D., Szymański W., Cłapa M.: Mechanical and tribological properties of gradient a-C:H/Ti coatings. Materials Science Poland, w druku.
• [20] Gupta P., Singh V., Meletis E. I.: Tribological behaviour of plasma enhanced CVD a-C:H films. Part I: effect of processing parameters. Tribology International 37 (2004) 1019÷1029.
• [21] Damasceno J. C., Camargo Jr. S. S., Freire Jr., F. L., Carius R.: Deposition of Si-DLC films with high hardness, low stress and high deposition rates. Surface and Coatings Technology 133-134 (2000) 247÷252.
• [22] Robertson J.: Diamond-like amorphous carbon. Mat. Sci. Eng. Reports 37 (2002) 129÷281.
• [23] Toth A., Mohai M., Ujvari T., Bertoti I.: Chemical structure of silicon-, oxygen- and nitrogen-containing a-C:H films prepared by RF plasma beam CVD. Thin Solid Films 482 (2005) 183÷187.
• [24] Randeniya L. K., Bendavid A., Martin P. J., Amin Md. S., Preston E. W., Magdon F. S., Ismail S. Coe: Incorporation of Si and SiOr into diamond-like carbon films: Impact on surface properties and osteoblast adhesion. Acta Biomaterialia 5 (2009) 1791÷1797.
• [25] Leyland A., Matthews A.: On the significance of the H/E ratio in wear control: a nanocomposite coating approach to optimised tribological behaviour. Wear 246 (1-2) (2000) 1÷11.