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铝合金凭借低密度、高比强度及优异的可加工性能，已成为航空航天、汽车工业、船舶及海洋工程等领域的关键结构材料[1-4]。但在含氯环境中服役时，其表面氧化/钝化膜容易遭到Cl−破坏，局部区域往往发生点蚀与缝隙腐蚀，进而引发和加速工件失效[5-7]。此外，铝合金硬度较低、耐磨性较差，在载荷作用下容易发生显著的磨损腐蚀，导致构件使用寿命缩短[8-10]。这些问题在一定程度上制约了铝合金在海洋环境中的进一步应用。
表面涂层是提高材料服役性能的重要途径之一。类金刚石（Diamond like carbon，DLC）薄膜由于具备高硬度、低摩擦系数、化学惰性强和耐腐蚀等特点，被认为是改善铝合金表面综合性能的有效涂层体系[11]。DLC薄膜的耐蚀性与sp2/sp3比例密切相关。研究表明[12-13]，sp2杂化结构中的π键具有较强的电子传导能力，sp2含量增多会加快薄膜与腐蚀介质间的电子交换，从而加剧腐蚀。另一方面，若通过工艺控制降低sp2比例、增加sp3含量，则可能导致薄膜内应力升高，甚至诱发微裂纹或局部剥落，从而失去物理屏障作用[14-15]。
等离子体增强化学气相沉积（Plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD）技术，具有沉积温度低、覆盖均匀、成膜效率高等优势，广泛应用于高性能薄膜的制备。在利用PECVD制备DLC薄膜的过程中，可通过调控等离子体的密度与能量来控制sp2/sp3比例。其中，脉冲电压作为激发与维持等离子体的关键参数，对薄膜结构与性能具有决定性影响。调节脉冲电压可有效控制等离子体的能量与轰击通量。较高的脉冲电压通常能提供更高的离子能量，有利于增强薄膜的致密性、提高sp3杂化比例，从而改善薄膜的硬度与耐腐蚀性；而适中的电压条件则有助于在提升薄膜结合力的同时，避免因过高的内应力导致涂层开裂或剥落。因此，深入探究脉冲电压对DLC薄膜组织演变、力学响应及腐蚀动力学行为的影响规律，对优化铝合金表面防护涂层技术具有重要意义。
综上所述，本文以2024铝合金为为基体，采用PECVD在不同脉冲电压条件下沉积DLC薄膜，围绕不同脉冲电压条件下薄膜的结构演化及性能变化展开分析，并进一步讨论脉冲电压对DLC薄膜性能的影响规律及相关机理。
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基体为轧制态2024铝合金圆棒，其化学成分见表1。采用线切割加工为φ20 mm×5 mm圆片。并根据电化学测试夹持与暴露面积需求，将部分试样进一步分割为1/2圆与1/4圆。使用金相砂纸逐级打磨至#2000，并采用金相抛光膏进行镜面抛光。随后，将试样置于丙酮和无水乙醇中分别进行超声波清洗，冷风吹干后备用。
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使用PECVD真空镀膜设备在2024铝合金表面制备DLC薄膜，图1是PECVD设备的示意图和实物图[16]。真空腔体为不锈钢材料制作，包括四个观察窗口、三条进气管路、一个电极、笼网、试样架、薄膜规、电阻规和电离规。其中，笼网结构可在沉积过程中有效约束并增强局部电场，从而产生高密度等离子体以显著提高沉积效率。该设备采用三路质量流量计充气系统，同时可充入三种气体。沉积采用负极性脉冲电压（波形如图2），通过脉冲放电产生低温等离子体以降低反应能垒，从而实现相对低温的碳膜沉积，减小温度对铝合金基体与膜层的影响。为实现100℃的恒定沉积温度，采用加热棒与温度传感器构成的闭环控制系统，实时调节沉积温度。当温度达到设定值时，自动停止加热。不同脉冲电压对应的工艺参数见表2。
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薄膜表面三维形貌采用原子力显微镜（AFM，GspM5500）进行表征；划痕及磨损后的表面形貌由超景深显微镜（VHX-500F）进行观察。碳膜结构与键合状态通过拉曼与红外手段联合表征。拉曼测试使用XploRA PLUS光谱仪，激发光波长为532 nm，用于分析D、G峰特征并对薄膜中sp3/sp2相关结构变化进行定性评估；薄膜中的C–H键结合信息由傅里叶变换红外光谱仪（Cary 630 FTIR）测得。利用MS-T3000型摩擦磨损仪测试DLC薄膜的摩擦系数。加载载荷为300 g，运行时间1 h。以定性分析薄膜中sp3/sp2键合比值的变化。薄膜厚度使用台阶仪（Alpha-step D-100）测量。为降低位置差异带来的偶然性，每个试样随机选取3个测点，取算术平均值作为该样品的膜厚结果。薄膜硬度与弹性模量由G200纳米压痕仪获得；在涂层表面选取一块代表性区域，按矩形阵列布置20个压痕点，以20点平均值作为最终表征值。膜/基结合强度采用MST-4000划痕仪评估，终止载荷100 N、加载速率100 N/min、划痕长度5 mm；测试在尽量避免外界噪声干扰的条件下进行，以提高临界失效判据识别的稳定性。摩擦系数由MS-T3000摩擦磨损仪测得，载荷300 g，试验时间1 h。
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电化学测试在3.5 wt% NaCl溶液中完成，仪器为电化学工作站（Vertex.C EIS）。试样制备方面，先将样品与铜导线焊接并确认导通，再对非测试区域进行环氧树脂封装，仅保留待测表面作为有效暴露区；测试前用无水乙醇清洗，吹干待用。电化学测试采用三电极体系：DLC涂层样品为工作电极，铂电极为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极。参比电极通过盐桥与电解池连通，并布置在工作电极与辅助电极之间以减小溶液电阻引起的电位偏差。动电位极化测试中，电位在开路电位附近由−200 mV扫描至+600 mV，扫描速率为1.6 mV/s；利用电化学工作站配套软件对极化曲线进行拟合，获得自腐蚀电位与腐蚀电流密度。电化学阻抗谱（EIS）测试在开路电位附近进行，交流扰动幅度为0.01 V，频率范围为0.01 Hz～100 kHz，所得EIS数据采用ZView软件进行等效电路拟合与分析。
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图3给出了不同脉冲电压（1400 V、1800 V、2200 V、2400 V）下DLC薄膜的AFM三维形貌。可以看出，随着脉冲电压的提高，薄膜表面粗糙度先降低后升高：当脉冲电压为1800 V时，薄膜表面粗糙度最低，仅为0.36 nm，表面较为平整光滑；而当脉冲电压增至2400 V时，表面粗糙度增大至1.3 nm，薄膜表面出现大量“山峰状”凸起。
脉冲电压从1400 V增加至1800 V时，气体电离程度增大，并且等离子体密度增大，轰击离子的能量提高，促进了表面悬挂键的产生，这有利于薄膜表面与自由基的化学键合，增加了薄膜的致密性[17]。此外，轰击强度的增加还有利于除去粘附在薄膜表面的疏松的结构，因此增加了薄膜的光滑程度。然而，当脉冲电压继续增加时，离子对薄膜表面的刻蚀作用增强，这对薄膜表面有一定的破坏作用[16]，当脉冲电压增加至2400 V时，此时离子对薄膜表面的刻蚀作用最强。因此脉冲电压从1800 V增加至2400 V时，DLC薄膜表面的粗糙度逐渐增加，并且在2400 V时，DLC薄膜表面呈现出这种“山峰状”凸起。
图4与表3分别给出了不同脉冲电压下DLC薄膜的拉曼光谱图及其拟合结果。利用高斯拟合对所测得到的拉曼光谱进行拟合，可以得到一个G峰和一个弱肩峰D峰，符合典型DLC薄膜的拉曼特征（图4（a）），可以看出，随着脉冲电压的增大，G峰峰位逐渐向高波数方向移动。图4（b）给出了D峰与G峰的积分强度比（ID/IG）及G峰半高宽（G-FWHM）的变化规律。随着脉冲电压的增加，DLC薄膜的ID/IG值由1.39逐渐升高至2，而G-FWHM则由179.9逐渐减小至165.5。对于DLC薄膜而言，G峰峰位向高波数偏移、ID/IG值增大且G-FWHM减小通常表明薄膜中sp3杂化键含量降低，sp2相对含量增加[18]。
为了进一步了解DLC薄膜中 sp3杂化键含量的变化，本文利用红外光谱对DLC薄膜中sp3杂化键含量的变化进行表征。图5是不同脉冲电压下制备出的DLC薄膜的红外吸收光谱。DLC薄膜中C-H sp3杂化键的吸收峰位于2950~2700 cm−1，C-H sp2杂化键的吸收峰位于3100~2960 cm−1[18]。可以发现，DLC薄膜中C-H sp3杂化键和C-H sp2杂化键的吸收峰强度随脉冲电压的增加而逐渐降低，这表明脉冲电压的增加减少了薄膜中与碳成键的CHx含氢基团的含量。
结合拉曼光谱和红外光谱的分析结果可知，脉冲电压对DLC薄膜的结构有着较大的影响。脉冲电压的升高，增加了用于气体电离的能量，离子的能量得到了大幅度的提高，这会打断薄膜表面和亚表面的C-H键，使氢逸出表面[16]。此外，脉冲电压的增大还会提高气体的电离程度，使等离子中氢粒子（氢离子和氢原子）数量逐渐增多，这会促进薄膜沉积过程中脱氢反应，使C-H键中的氢以H2形式离开薄膜。随着脉冲电压的增加，薄膜沉积过程中的脱氢反应使CHx含氢基团含量降低。并且增强的高能离子轰击会诱发薄膜的局部石墨化，促进sp2杂化键的形成。
图6给出了不同脉冲电压条件下DLC薄膜的厚度变化情况。可以看出，随着脉冲电压的提高，薄膜厚度持续增加，在脉冲电压为2400 V时，膜厚达到约3.93 μm。DLC薄膜的生长过程中，高能离子一方面对薄膜表面产生轰击作用，使疏松结构被刻蚀，从而在一定程度上抑制沉积速率；另一方面，正离子和中性基团在电场作用下被吸引至基体表面并发生反应，形成连续致密的薄膜，促进膜层生长。脉冲电压的变化直接影响等离子体的能量分布及气体电离程度，从而对薄膜的沉积行为和生长速率产生显著作用。脉冲电压的增加增强了等离子体的能量，从而增强离子对薄膜表面疏松结构的刻蚀作用，在一定程度上抑制薄膜的生长[16]。然而，高能离子在轰击薄膜表面时，会造成一些C-H键的断裂，这增加了薄膜表面悬挂键的数量，进而促进了自由基与薄膜表面的化学键合，为薄膜的生长提供位点。此外，当脉冲电压增高时，乙炔气体电离程度增大，产生更多的正离子和自由基等离子，这些粒子更高效地到达了薄膜生长表面，通过表面吸附、反应及成键过程，促进了薄膜的沉积，从而使薄膜厚度增加。
从薄膜的微观形貌分析可知，随着脉冲电压的增大，高能离子对薄膜的轰击刻蚀能力逐渐增强，在脉冲电压为2400 V时，刻蚀比较明显。然而，本实验中，薄膜的厚度随着脉冲电压的增大而增大，这表明在DLC薄膜沉积过程中，薄膜生长的速率大于高能离子对薄膜轰击刻蚀的速率。
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图7是不同脉冲电压下制备的DLC薄膜划痕测试中的声信号变化曲线。结合声信号的变化和摩擦力的变化可以确定DLC薄膜与基体的结合强度，从图中可以发现随着脉冲电压的增加，DLC薄膜与基体的结合强度是逐渐减小的，脉冲电压为1400 V和1800 V时，薄膜和基体的结合力分别是24.4 N和23.6 N，当脉冲电压升高至2200 V和2400 V时，薄膜和基体的结合强度明显下降，分别为12.5 N和8.6 N。
薄膜与基体之间的结合强度主要受DLC薄膜内部残余应力的影响。较高的内应力会削弱膜/基界面的结合力，加剧了DLC薄膜的腐蚀失效。
图8给出了不同脉冲电压下制备的DLC薄膜的超景深划痕形貌。由图可见，当脉冲电压为2400 V时，划痕边缘出现了一些褶皱和崩裂，这表明脉冲电压为2400 V时，划痕边缘出现明显的褶皱与崩裂现象，表明此时薄膜中存在较大的内应力，该结论与划痕测试中声信号的变化规律相一致。上述结果说明，脉冲电压对薄膜内部残余应力具有显著影响。DLC薄膜中的内应力主要源于沉积过程中碳基网络结构的畸变，其中高能离子向薄膜亚表层的注入是引起三维碳网络结构畸变的关键因素[15]。随着脉冲电压的升高，等离子体中高能离子数量及能量均增加，更多离子被注入薄膜亚表层，导致碳基网络畸变程度加剧，从而引起内应力升高，最终削弱薄膜与基体之间的结合强度。
图9给出了不同脉冲电压下DLC薄膜的纳米硬度和弹性模量变化情况。可以看出，当脉冲电压由1400 V升高至1800 V时，薄膜硬度由14.86 GPa提高到16.75 GPa，当电压进一步增大至2400 V时，硬度则下降至13.2 GPa，表明脉冲电压DLC薄膜的力学性能具有显著影响。通常认为，含氢DLC薄膜的硬度主要由sp3杂化键和C–H键含量共同决定[15]。较高的sp3杂化键含量有利于形成类似金刚石的三维网络结构，从而赋予薄膜较高硬度，而C–H键含量过高则倾向于形成类聚合物结构，导致硬度降低。从结构分析来看，脉冲电压从1400 V增加至1800 V时，薄膜中C-H键含量明显降低，这增加了薄膜的三维网络交联程度，进而使薄膜的硬度得到了提高。在2400 V时，薄膜的ID/IG值降到了2，这表明在2400 V时，薄膜中生成了大量的sp2杂化键，因此，脉冲电压为2400 V时，薄膜的硬度明显降低。
图10是不同脉冲电压下DLC薄膜的摩擦系数随磨损时间变化的曲线。从图中可以发现，在磨损初期，不同脉冲电压下的DLC薄膜的摩擦系数均出现一个大幅度降低的过程。一段时间后，摩擦系数均开始稳定，1400 V时摩擦系数最大。然而，当磨损时间超过60 min时，1400 V电压下的DLC薄膜摩擦系数出现明显的升高现象。此外，在整个磨损过程中，1800 V脉冲电压下制备的DLC薄膜表现出最低的摩擦系数。
表4对不同脉冲电压条件下薄膜的力学性能及平均摩擦系数进行了汇总，当脉冲电压为1400 V、1800 V、 2200 V和 2400 V时，DLC薄膜的平均摩擦系数分别为0.1037、0.0807、0.0880和0.0914，可以发现，1800 V平均摩擦系数最低。
1400 V时制备的DLC薄膜具有较为疏松的结构和较低的硬度，因此，在磨损时易产生磨屑，进而增加了薄膜的摩擦系数。随着脉冲电压增加到1800 V时，薄膜具有较高的致密性和硬度，这使薄膜具有较低的摩擦系数。当脉冲电压继续增加时，薄膜的硬度出现了下降的趋势，因此，薄膜的摩擦系数又出现增大的趋势。摩擦系数并不能完全表征DLC薄膜的耐磨性能，Neuville S[19]认为H/(Ef)值的大小可以预测所有涂层的耐磨损性能，H/(Ef)的值越大，表明薄膜的耐磨性能越好。从表4中可以发现，脉冲电压为1800 V时，DLC薄膜具有最高的H/(Ef)，综合摩擦系数的变化，可以认为脉冲电压为1800 V时，DLC薄膜具有较好的耐磨损性能。
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图11展示了不同电压条件下DLC涂层/2024铝合金在3.5% NaCl 溶液中的动电位极化曲线结果，表5给出了拟合得到的腐蚀电位（Ecorr）与腐蚀电流密度（icorr）。从中可以发现，具有DLC薄膜的2024铝合金的腐蚀电流密度明显下降，说明DLC涂层能够有效提升2024铝合金在氯化钠溶液中的耐腐蚀性能。进一步比较不同脉冲电压下的涂层可知，当脉冲电压从1400 V提高至1800 V时，icorr从2.562×10−6 A/cm2降至2.216×10−6 A/cm2，表明适度提高电压有利于提升涂层的防护效果。然而，当进一步提高脉冲电压至2200 V与2400 V时，icorr反而升高（2400 V时为3.786×10−6 A/cm2），这表明过高的脉冲电压，会使DLC薄膜的耐腐蚀性能有所下降。
一般认为，DLC薄膜中sp3杂化键的含量对薄膜的耐腐蚀性能有着明显的影响[16]，薄膜中sp3杂化键越多，薄膜阻碍电子传输能力越强，所以薄膜的耐腐蚀性能越强。从拉曼光谱分析可知，随着脉冲电压的增加，薄膜中sp3杂化键的含量逐渐减少，然而，1800 V下制备的DLC薄膜耐腐蚀性能要优于1400 V时DLC薄膜的耐腐蚀性能，这表明DLC薄膜的耐腐蚀性能还受到其他因素的影响。进一步对不同薄膜进行了EIS测试。图12给出了不同脉冲电压下DLC薄膜的EIS结果。可以发现，各电压条件下的涂层均呈现出两个容抗弧，说明腐蚀介质已经通过涂层到达膜/基界面。与此同时，随脉冲电压的提高，容抗弧半径先增大后减小，其中在1800 V时半径最大，表明此时涂层的阻抗模值最高，对腐蚀介质的阻隔能力最强，耐蚀性能最佳。腐蚀介质通过渗透到达薄膜和基体之间的界面处，这表明薄膜中存在一定的数量的孔隙。研究表明EIS技术可以用来表征薄膜中孔隙率。通过对EIS进行拟合，得到不同脉冲电压下DLC薄膜的等效电路。
图13及表6是薄膜的等效电路图模型及其拟合参数。其中，Rbulk表示电解液的电阻，Rporous对应涂层微孔通道中的电阻，Cfilm表示薄膜本身的电容，Rpol表示微孔处基体的极化电阻（即电荷转移电阻），Cdl则为基体与腐蚀介质界面形成的双电层电容。
从表6中可以发现，当脉冲电压从1400 V增大到1800 V时，薄膜的电容Cfilm从2.505×10−7 F·cm−2增大到2.681×10−7 F·cm−2，表明1800 V时，DLC薄膜具有较低的孔隙率。此外，还可以发现孔隙电阻Rporous从1.073×103 Ω·cm2增大到1.515×103 Ω·cm2，表明1800 V时，DLC薄膜对离子传导有着更强的阻碍能力。因此，脉冲电压从1400 V增大到1800 V时，DLC薄膜具有更好的耐腐蚀性能。当脉冲电压增加至2400 V时，薄膜的电容Cfilm增大到1.2×10−6 F·cm−2，表明脉冲电压的增高会提高薄膜的致密，减少薄膜孔隙率。然而，孔隙电阻Rporous从1.515×103 Ω·cm2减少到了1.067×102 Ω·cm2，表明DLC薄膜对离子传导的阻碍能力逐渐减弱[20]。因此DLC薄膜的电容越大，表明薄膜的孔隙率越小。
脉冲电压的增加可以改善DLC薄膜的致密性，阻碍腐蚀介质的渗入，因此当脉冲电压从1400 V增加至1800 V时，DLC薄膜的耐腐蚀性能得到了改善。然而，当脉冲电压过高时，一方面薄膜中的sp2杂化键含量逐渐增加，促进了薄膜中电子的移动；另一方面，高的脉冲电压会使薄膜中产生一定的缺陷，使薄膜阻碍离子传导的能力变差。此外，高的内应力也会促使薄膜的失效，因此，脉冲电压从1800 V增加至2400 V时，薄膜的耐腐蚀性能逐渐下降。
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采用PECVD技术在2024铝合金表面制备了DLC薄膜，研究了脉冲电压（1400 V~2400 V）对膜层组织与耐蚀性的影响，得到以下结论：
随脉冲电压升高，膜层厚度持续增加；同时薄膜中氢相关键合（C–H）特征逐渐减弱，sp2结构占比上升。此外，随着脉冲电压的增加，DLC薄膜的表面粗糙度先降低后升高，DLC薄膜与基体的结合强度逐渐降低。随着脉冲电压的升高，DLC薄膜的硬度和弹性模量先增加后降低，摩擦系数先减小后增大。本研究条件下，当脉冲电压为1800 V时薄膜综合性能最优，硬度与弹性模量分别达到16.75 GPa和139.4 GPa，摩擦系数降至0.0807。薄膜耐腐蚀性能随脉冲电压升高而出现先增加后降低现象。脉冲电压的增加提高了DLC薄膜致密性，利于提高薄膜的耐腐蚀性能，但是过高的脉冲电压会使sp2杂化键生成增多并伴随缺陷引入，使屏障作用削弱，耐蚀性能反而下降。在本工作中，1800 V时制备的DLC薄膜表现出较好的机械性能和耐腐蚀性能。
脉冲电压大小对2024铝合金表面沉积DLC薄膜性能调控机制研究
The Regulation Mechanism of Pulse Voltage on the Properties of DLC Films Deposited on 2024 Aluminum Alloy Surfaces
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摘要: 采用等离子体增强化学气相沉积技术，在2024铝合金表面沉积类金刚石（DLC）薄膜，研究了脉冲电压对薄膜微观键合结构、表面形貌以及整体服役性能的影响。结果表明，随脉冲电压升高，薄膜厚度不断增大，氢含量及C–H键逐渐减少，sp2杂化键含量升高，表面粗糙度呈先降低后升高的趋势，在1800 V时薄膜最为平整且致密。薄膜与基体的结合强度随电压增加而降低，高电压下内应力显著增大。薄膜硬度和弹性模量随电压先升高后降低，在1800 V时分别达到16.75 GPa和139.4 GPa，同时摩擦系数最低、H/(Ef)值最高，表现出优异的耐磨性能。在3.5 wt%的NaCl介质中，DLC 薄膜作为有效的物理屏障，显著抑制了基体的电化学腐蚀过程。其中1800 V 电压下制备的薄膜展现出最大的阻抗与极低的孔隙率，具备最优异的综合耐蚀性能。脉冲电压作为关键工艺参数，调节了等离子体密度与轰击能量，从而主导了薄膜力学特性与化学稳定性的演化规律，进而影响DLC薄膜的力学性能及腐蚀行为。相应机理为铝合金表面高性能DLC防护涂层制备奠定了坚实的理论基础。
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关键词:
- 等离子增强化学气相沉积 /
- 类金刚石薄膜 /
- 杂化结构 /
- 电化学 /
- 腐蚀机制
Abstract: Using plasma-enhanced chemical vapor deposition, diamond-like carbon (DLC) films were deposited on 2024 aluminum alloy substrates. The effects of pulse voltage on the film microstructure, surface morphology evolution, and overall service performance were systematically investigated. The results show that as the pulse voltage increased, the film thickness gradually increased, while the hydrogen content and C–H bond concentration decreased. Meanwhile, the fraction of sp2-hybridized carbon increased, and the surface roughness initially decreased and then increased. At 1800 V, the film exhibited the highest surface flatness and density. As the pulse voltage increased, the film–substrate adhesion decreased, whereas the internal (residual) stress rose markedly at higher voltages. The film hardness and elastic modulus exhibited a non-monotonic dependence on pulse voltage, increasing initially and then declining; both peaked at 1800 V, reaching 16.75 GPa and 139.4 GPa, respectively. At this voltage, the friction coefficient was minimized and the H/Ef ratio was maximized, indicating superior wear resistance. In a 3.5 wt% NaCl solution, the DLC films acted as effective physical barriers, significantly suppressing the electrochemical corrosion of the substrate. The film prepared at 1800 V exhibited the highest charge transfer resistance and extremely low porosity, demonstrating the best overall corrosion resistance. As a critical process parameter, pulse voltage regulates plasma density and ion bombardment energy, thereby controlling the evolution of mechanical properties and chemical stability. This, in turn, determines the mechanical performance and corrosion resistance of the DLC films. These findings provide a solid theoretical basis for the fabrication of high-performance DLC protective coatings on aluminum alloy substrates. -
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图 1 PECVD设备示意图及实物图。（a）PECVD设备实物图，（b）PECVD设备示意图
Figure 1. Schematic diagram and real picture of PECVD equipment. (a) Schematic diagram of PECVD equipment, (b) real picture of PECVD equipment
图 3 不同脉冲电压下DLC薄膜的三维形貌图。（a）1400 V，（b）1800 V，（c）2200 V，（d）2400 V
Figure 3. Three-dimensional morphologies of DLC films under different pulse voltages. (a) 1400 V, (b) 1800 V, (c) 2200 V, (d) 2400 V
图 4 不同脉冲电压下DLC薄膜的拉曼表征结果。（a）拉曼光谱及拟合曲线，（b）ID/IG值及G峰半高宽变化
Figure 4. Raman characterization of DLC films deposited under different pulse voltages. (a) Raman spectra and fitted curves, (b) Values of ID/IG and changes in G-FWHM
图 5 不同脉冲电压下DLC薄膜的红外光谱
Figure 5. Infrared spectra of DLC films with different pulse voltages
图 7 不同脉冲电压下DLC薄膜的声信号图。（a）1400 V，（b）1800 V，（c）2200 V，（d）2400 V
Figure 7. Acoustic signal diagram of DLC films with different pulse voltages. (a) 1400 V, (b) 1800 V, (c) 2200 V, (d) 2400 V
图 8 不同脉冲电压下DLC薄膜的划痕形貌图。（a）1400 V，（b）1800 V，（c）2200 V，（d）2400 V
Figure 8. Scratch morphology of DLC films with different pulse voltages. (a) 1400 V, (b) 1800 V, (c) 2200 V, (d) 2400 V
图 9 不同脉冲电压下制备DLC薄膜的纳米硬度和弹性模量
Figure 9. Nano-hardness and elastic modulus of DLC films with different pulse voltages
图 10 不同脉冲电压下制备的DLC薄膜的摩擦系数变化图
Figure 10. Variation of friction coefficient of DLC films prepared with different pulse voltages
图 11 不同脉冲电压下DLC薄膜2024铝合金基体在3.5%NaCl溶液中的极化曲线
Figure 11. Polarization curves of DLC films with different pulse voltages and 2024 aluminum alloy matrix in 3.5% NaCl solution
图 12 不同脉冲电压下DLC薄膜的EIS。（a）奈奎斯特图，（b）高频区放大图
Figure 12. Electrochemical impedance spectra of DLC films with different pulse voltages. (a) Nyquist impedance spectroscopy, (b) enlarged view of high frequency area
图 13 不同脉冲电压下DLC薄膜的等效电路图
Figure 13. Equivalent circuit diagram of DLC films with different pulse voltages
表 1 2024铝合金化学成分（wt%）
Table 1. Chemical composition of 2024 aluminum alloy (wt%)
Cu Mg Mn Fe Zn Si Ti Cr Al 3.81 1.4 0.4 0.4 0.14 0.22 0.05 0.05 Balance 
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表 2 不同脉冲电压下DLC薄膜制备工艺参数
Table 2. Preparation process parameters of DLC films at different pulse voltages
Samples Temperature/℃ Pulse width/μs Pulse voltage/V Frequency/Hz Pressure/Pa Ar/sccm C2H2/sccm Coating time/h T1 100 20 1400 600 2 20 60 2 T2 100 20 1800 600 2 20 60 2 T3 100 20 2200 600 2 20 60 2 T4 100 20 2400 600 2 20 60 2
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表 3 不同脉冲电压下DLC薄膜拉曼光谱的拟合参数
Table 3. Fitted parameters of the Raman spectra of DLC films prepared at different pulse voltages
Pulse voltages/V G band ID/IG Position/(cm−1) FWHM/(cm−1) 1400 1543.4 179.9 1.39 1800 1549 176.9 1.53 2200 1549.1 175.6 1.76 2400 1550.2 165.5 2
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表 4 不同脉冲电压下DLC薄膜的机械性能汇总
Table 4. Summary of mechanical properties of DLC films under different pulse voltages
Pulse voltages /V Hardness /GPa Elastic modulus /GPa Friction coefficient H/(Ef) 1400 14.86 119.9 0.1037 1.195 1800 16.75 139.4 0.0807 1.489 2200 16.14 136.6 0.088 1.343 2400 13.2 123.2 0.0914 1.172
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表 5 不同脉冲电压下DLC薄膜和2024铝合金基体的腐蚀电流密度和腐蚀电位结果
Table 5. Corrosion current density and corrosion potential results of DLC films with different pulse voltages and 2024 aluminum alloy matrix
Specimens 2024 Al 1400 V 1800 V 2200 V 2400 V Corrosion current density/(A/cm2) 9.108×10−6 2.562×10−6 2.216×10−6 3.055×10−6 3.786×10−6 Corrosion potential/mV −646.1 −690.6 −725.6 −696.4 −702.7
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表 6 不同脉冲电压下DLC薄膜的等效电路拟合值
Table 6. Equivalent circuit fitting value of DLC films with different pulse voltages
Specimens Rbulk/(Ω·cm2) Rporous/(Ω·cm2) Cfilm/(F·cm−2) Rpol/(Ω·cm2) Cdl/(F·cm−2) 1400 35 1.073×103 2.505×10−7 8.3×103 5.322×10−6 1800 34 1.515×103 2.681×10−7 1.823×104 6.932×10−6 2200 36 1.116×103 2.714×10−7 8.211×103 5.565×10−6 2400 30 1.067×102 1.200×10−6 3.843×103 1.421×10−5
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