化學(xué)氣相沉積的金剛石薄膜通常是一種表面粗糙的多晶薄膜，其摩擦系數(shù)相對(duì)于單晶金剛石明顯偏高，制約著其在摩擦學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。本文介紹了近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者為提高金剛石薄膜摩擦學(xué)性能而進(jìn)行的探索研究及其發(fā)展現(xiàn)狀。簡(jiǎn)要分析了影響金剛石薄膜摩擦學(xué)性能的主要因素，并提出金剛石薄膜應(yīng)用于摩擦學(xué)領(lǐng)域需要重視解決的幾個(gè)問題。

　　金剛石薄膜具有極高的硬度和熱導(dǎo)率，較低的摩擦系數(shù)和熱膨脹系數(shù)，較高的耐磨性，良好的化學(xué)穩(wěn)定性，是一種優(yōu)異的表面抗磨損改性膜，是十分理想的刀具涂層材料。金剛石的耐磨性和研磨能力超過已知的所有磨削材料，它的磨性比硬質(zhì)合金高50~200 倍， 比碳化硅高3000~3500 倍，比淬火工具鋼高2000~5000 倍。作為一種超硬薄膜，其在工具、刀具等磨削拋光領(lǐng)域的應(yīng)用研究越來越引起人們的重視。

　　化學(xué)氣相沉積的金剛石薄膜通常是一種表面粗糙的多晶薄膜，膜表面晶粒取向、晶粒尺寸以及厚度都不均勻，所以表面粗糙度比較高，一般達(dá)幾個(gè)微米，嚴(yán)重影響了金剛石膜在摩擦學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。金剛石薄膜表面粗糙度也是導(dǎo)致金剛石膜早期剝落、開裂的主要原因之一。減小金剛石晶粒尺寸以及對(duì)金剛石薄膜表面進(jìn)行拋光，降低其表面粗糙度，將有效改善刀具- 工件間的摩擦狀況，延長(zhǎng)刀具壽命。

　　近年來，為了提高金剛石薄膜的摩擦學(xué)性能，降低金剛石薄膜的摩擦系數(shù)，科研工作者展開了大量的研究，研究工作主要集中在金剛石薄膜表面拋光、納米金剛石薄膜、金剛石薄膜表面減摩涂層等方面。

1、金剛石薄膜摩擦學(xué)性能研究進(jìn)展

1.1、金剛石薄膜表面拋光

　　在非金剛石襯底上生成的金剛石薄膜在多數(shù)情況下不能直接使用，必須進(jìn)行后續(xù)加工。對(duì)金剛石薄膜表面進(jìn)行拋光是獲得光滑金剛石薄膜表面的一種重要途徑。雖然從80 年代開始人們就已經(jīng)探索了許多物理或化學(xué)方法用于拋光金剛石薄膜，但直到90 年代初，對(duì)金剛石薄膜拋光技術(shù)的研究才引起普遍重視。

　　到目前為止，拋光金剛石薄膜的方法主要有：機(jī)械拋光法、化學(xué)- 機(jī)械拋光法、熱化學(xué)拋光法、電化學(xué)拋光法、激光拋光法、等離子體/ 離子束拋光法等。其中前四種拋光方法為接觸性拋光方法，后兩種拋光方法則為非接觸性拋光方法。機(jī)械拋光方法最初是采用金剛石粉對(duì)材料表面進(jìn)行研磨，根據(jù)所要達(dá)到的拋光效果，可以選擇不同尺寸的金剛石粉。后來使用金剛石砂輪、光滑的金剛石或其他超硬研磨材料，采用傳統(tǒng)的研磨或磨削方法，對(duì)金剛石膜表面進(jìn)行拋光。對(duì)于較小尺寸的金剛石膜，還可以采用“膜對(duì)膜”的拋光方法，機(jī)械拋光可使粗糙度達(dá)到0. 02 μm 左右，但加工后的微觀表面質(zhì)量不好，易產(chǎn)生微裂紋，尤其是在研磨與基體附著力不好或厚度較薄的金剛石膜時(shí)，機(jī)械拋光固有的沖擊和振動(dòng)容易造成薄膜的損傷和破壞；化學(xué)- 機(jī)械拋光方法是在機(jī)械拋光基礎(chǔ)上充入以KNO3、KOH 為主要成份的含氧化性物質(zhì)，金剛石膜在機(jī)械研磨和氧化腐蝕的共同作用下被拋光。該方法無需將金剛石膜加熱到高溫，但拋光效率仍然偏低，在此之前必須進(jìn)行一次預(yù)拋光方能取得較好效果。熱化學(xué)拋光方法可以一次加工多個(gè)金剛石膜樣品，但加工溫度通常很高，用于化學(xué)融蝕的金屬會(huì)過分液化，對(duì)膜的邊緣產(chǎn)生過蝕”現(xiàn)象，而且由于配合使用了金屬表面及兩界面摩擦生熱，從而造成表面不均勻性，以及類金剛石成分層和晶界上金屬殘留物污染，影響拋光效果；美國(guó)專利提到了一種電化學(xué)拋光方法，即在相互接觸的金剛石表面與陶瓷導(dǎo)體（如Y2O3:ZrO2）之間加上電壓，利用其產(chǎn)生的電化學(xué)反應(yīng)來拋光金剛石膜。激光拋光和等離子體/離子束拋光均為高能、非接觸式拋光方法，利用高能脈沖激光、某些氣體物質(zhì)的離子束或等離子體對(duì)金剛石具有較強(qiáng)刻蝕能力這一特點(diǎn)對(duì)其表面進(jìn)行拋光。

　　激光拋光和離子束拋光是目前綜合性能相對(duì)較好的金剛石膜拋光方法，尤其用于粗拋光后的精拋光時(shí)效率較高，均可用于拋光復(fù)雜型面，雖然小面積激光掃描加工可達(dá)到很高的表面質(zhì)量，可進(jìn)行納米級(jí)加工處理，但會(huì)形成石墨或類金剛石碳層，使金剛石膜表面發(fā)生某些變性；另外，離子束的不均勻也會(huì)造成薄膜表面粗糙度的不均勻；等離子拋光方法在均勻性方面也有待提高，并且易在表面晶界上形成殘留物污染。

　　總之，各種拋光方法均有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在使用時(shí)只能是多種方法的相互結(jié)合。接觸性拋光方法簡(jiǎn)單，但很難用于非平面表面拋光，效率較低，而且容易導(dǎo)致拋光污染，其大面積的工業(yè)化應(yīng)用受到限制；非接觸性拋光技術(shù)可用于非平面表面拋光，但多數(shù)情況下要求真空條件，設(shè)備較為昂貴，而且加工均勻性及工藝性尚待進(jìn)一步提高。上述的拋光方法都存在著一條或多條缺點(diǎn)，盡管都能對(duì)金剛石薄膜進(jìn)行拋光，但拋光能力是有限的。迄今為止，全世界的科學(xué)家們似乎還未找到一個(gè)真正有效的拋光方法，高速率、低成本、無污染的拋光方法是目前該領(lǐng)域的主要研究方向。

　　雖然表面拋光可以減小表面粗糙度，但金剛石膜硬度高、厚度薄、整體強(qiáng)度低，因此拋光效率低，且膜極易破裂及損傷。綜上所述，拋光方法是為降低表面粗糙度而對(duì)已沉積金剛石薄膜進(jìn)行的一種后加工，該種方法具有很多局限性。為了克服這種局限性，還可以通過改進(jìn)薄膜的制備技術(shù)，即通過控制襯底預(yù)處理工藝和沉積參數(shù)，促進(jìn)金剛石晶粒的擇優(yōu)取向，減小金剛石膜晶粒尺寸，制備納米級(jí)尺寸的金剛石薄膜將成為減小其表面粗糙度非常有效的方法。

1.2、納米金剛石薄膜

　　納米金剛石薄膜之所以引起國(guó)內(nèi)外廣大學(xué)者們的極大興趣，在于它不僅完全具備普通金剛石薄膜的一切優(yōu)異性能，同時(shí)還具有比微米金剛石薄膜更為光滑的表面和更低的磨擦系數(shù)。如表1 所示。因此，納米金剛石膜在摩擦學(xué)領(lǐng)域比普通金剛石膜具有更好的應(yīng)用前景。目前，已能在各種不同的襯底上沉積納米金剛石薄膜。

表1 納米金剛石薄膜和普通金剛石薄膜的性能比較