相对湿度对类金刚石薄膜摩擦磨损性能的影响

利用等离子体增强化学气相沉积技术在单晶硅表面制备了含氢类金刚石薄膜,在球-盘摩擦磨损试验机上考察了相对湿度对薄膜摩擦磨损性能的影响,利用扫描电子显微镜和X射线光电子能谱仪观察和分析其磨损表面形貌和化学状态的变化情况.结果表明,随着相对湿度增加,DLC薄膜的摩擦系数和磨损率增加.这主要是由于薄膜表面氧化作用所致.     

氟化非晶碳基薄膜摩擦学行为对配副材料的依赖性

为了系统研究氟掺杂对非晶碳基薄膜摩擦学行为的影响,以C_2H_2和CF_4为气源,通过等离子体增强化学气相沉积方法制备不同F含量的非晶碳基薄膜.采用XPS、SEM、Raman光谱以及纳米压痕等技术测定薄膜的微观结构、化学组成和力学性能,利用球-盘式往复摩擦试验机评价薄膜与不同配副材料的摩擦磨损性能.结果显示:较低F含量并未显著影响薄膜与强碳黏着对偶Ti、WC和Si_3N_4的摩擦系数;少量F原子掺杂明显增加了薄膜与弱碳黏着对偶ZrO_2和Al_2O_3的摩擦系数;薄膜与GCr15对偶的摩擦系数随F含量增加而明显升高;高F含量导致薄膜与Cu对偶的摩擦系数产生明显波动,而导致薄膜与Al对偶的摩擦系数显著增加;值得注意的是,高F含量薄膜在不同体系中都表现出高摩擦低磨损的特点.高活性F原子与对偶材料的摩擦化学作用能够合理解释不同体系摩擦学行为.     

掺氮类金刚石薄膜的纳米力学及纳米摩擦特性研究

利用微波电子回旋共振化学气相沉积技术制备了不同氮掺杂量的类金刚石(DLC)薄膜,采用俄歇电子能谱仪、Raman光谱仪和Hysitron型纳米力学测试系统对掺氮类金刚石薄膜的化学成分和结构、纳米力学及其纳米摩擦特性进行研究.结果表明:反应气体中氮气流量比例越大,类金刚石薄膜中的氮含量越高;随着薄膜中氮含量增加,掺氮类金刚石薄膜中sp3比例下降,sp2比例明显增加,而薄膜的纳米力学性能如纳米硬度和弹性模量明显下降;纳米划擦试验中的划痕深度与薄膜中氮含量有关,当载荷相同时,氮含量越高,所对应的划痕深度越深;名义摩擦系数(LF/NF)随着载荷增加而增大;当载荷相同时,摩擦系数与沉积膜中的氮含量无关.     

a-C：H膜的高真空磨损失效机制研究——应力的影响

采用中频非平衡磁控溅射法沉积了含氢无定形碳(ａ-C:H)薄膜,利用球-盘摩擦试验机考察了不同载荷下薄膜在高真空中(5.0×10^-3 Pa)的摩擦磨损行为,通过对磨损表面的分析以及相关的验证实验,探讨了应力(接触应力、薄膜内应力)对薄膜在高真空中摩擦磨损行为的影响.结果表明:在高真空中,随着载荷的增加,薄膜的摩擦系数逐渐降低,而耐磨寿命却急剧缩短;在高真空高接触应力下,无论是摩擦还是静压,薄膜表面均出现了明显的应力释放花样.因此可以认为,薄膜在高真空中的磨损失效与其在高接触应力下的内应力释放有密切关系.     

纳米弹性复合DLC薄膜的制备及其摩擦性能研究

利用磁过滤阴极真空弧沉积系统在硅片及以硅片为基底的2种弹性体材料表面沉积厚度为2.7 nm的DLC膜,采用原子力显微镜和拉曼光谱仪对薄膜的形貌及成分进行分析,用纳米力学测试系统测量薄膜的弹性模量和硬度,用UMT-2型多功能微摩擦磨损试验机考察其摩擦性能.结果表明,以γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(187)为偶联剂的薄膜试样表面比以γ-氨丙基三乙氧基硅烷(APS)为偶联剂的薄膜试样表面更致密且粗糙度更低,薄膜的最上层为DLC膜.在硅表面沉积DLC薄膜可以显著降低其表面的摩擦系数(0.117～0.137),在低载荷条件下,含偶联剂及弹性体的DLC薄膜的摩擦系数低于硅表面沉积DLC的薄膜,且以187为偶联剂的薄膜试样的摩擦性能更佳;在高载荷条件下,硅表面沉积DLC的薄膜具有更优异的摩擦性能.     

结构可控多孔聚酰亚胺含油薄膜的制备及性能研究

利用SiO2硬质微球作模板制备得到多孔聚酰亚胺薄膜,通过改变SiO2微球的含量可以实现聚酰亚胺薄膜孔隙率及内部孔结构的精确控制.利用多孔聚酰亚胺薄膜的多孔结构,真空浸油得到聚酰亚胺含油薄膜.分别对聚酰亚胺含油薄膜的热稳定性能、含油性能及摩擦磨损行为和寿命进行了考察.结果表明:含油薄膜最大含油率可达40.6%,其小孔径特点决定了含油薄膜具有较高的油保持率;润滑油自身的挥发温度决定了含油薄膜的使用工况,其浸入并未对多孔薄膜本身热稳定性能产生影响;润滑油的存在很大程度上提高了多孔聚酰亚胺薄膜的磨损寿命,并随着薄膜含油率的增加而延长;在低转速摩擦条件下,含油薄膜呈现干摩擦和油润滑2种摩擦方式.     

盐雾腐蚀对DLC薄膜摩擦学性能的影响

利用中频磁控溅射法分别在304不锈钢、GCr15和9Cr18 3种不同基底上沉积了Ti掺杂的含氢DLC薄膜.并利用球-盘摩擦试验机考察了在中性盐雾试验条件下三种不同基底的DLC薄膜在经过不同时间盐雾试验后的摩擦学性能,同时分析讨论了盐雾试验后薄膜摩擦学性能产生变化的原因.结果表明:在中性盐雾试验条件下暴露不同时间后,样品的耐腐蚀性能与基底材料一致;盐雾试验后沉积在三种不同基底上的薄膜跑合时间均明显增大并且GCr15基底的薄膜增长最明显;盐雾试验前后304不锈钢基底薄膜的摩擦寿命几乎没有变化而GCr15和9Cr18基底的薄膜由于发生腐蚀其摩擦寿命大幅降低约50%.     

Si过渡层类金刚石薄膜界面优化及其性能研究

本文中利用等离子体化学气相沉积法,制备了具有Si过渡层的DLC薄膜.利用俄歇深度分析的方法,研究了Si过渡层沉积条件如电压、气压和气源对Si过渡层的影响;利用薄膜应力分布测试仪和划痕仪,研究了不同沉积条件下制备的Si过渡层对类金刚石薄膜内应力和附着力特性的影响;利用摩擦磨损仪,分析比较了薄膜的摩擦性能.研究表明:DLC薄膜与基底之间形成(Fe+Si+O混合层)/Si/(Si+C混合层)过渡层.过渡层制备过程中,气压、电压和Ar/Si H4比例升高,会导致过渡层中Si层厚度的减小.这种过渡层在一定范围内提高了DLC薄膜与基体之间的结合力,缓解了因薄膜与基底间不匹配而产生的应力.在大气环境下,优化的DLC薄膜与GCr 15钢对偶的摩擦系数及磨损率可低至0.02和8.2×10-14m3/(N·m).     

磁过滤阴极弧制备类金刚石膜的疲劳性能及摩擦磨损性能研究

利用离面双弯曲磁过滤阴极真空弧沉积系统,在单晶硅片上制备类金刚石薄膜.采用原子力显微镜观察薄膜表面形貌,采用激光拉曼光谱仪对薄膜的结构进行分析,采用多功能纳米力学性能测试仪测定薄膜的硬度、弹性模量及耐疲劳性能,采用微摩擦磨损试验机考察薄膜的摩擦磨损性能.结果表明:所制备的类金刚石薄膜表面光滑致密,硬度较高;镀膜参数中基体脉冲偏压占空比对薄膜的结构与性能有一定影响.     

脉冲直流等离子体增强化学气相沉积Ti—Si—N纳米薄膜的摩擦磨损特性

采用工业型脉冲等离子体增强化学气相沉积设备，通过调节氯化物混合比例控制薄膜成分，在高速钢基材表面于550℃下沉积由纳米晶TiN和纳米非晶Si3N4组成的Ti—Si—N复合薄膜；采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪及X射线光电子能谱仪分析了薄膜的结构、组成和化学状态；采用球-盘高温摩擦磨损试验机考察了薄膜同GCrl5钢对摩时的摩擦磨损性能．结果表明：薄膜的Si含量在0％～35％范围内变化，随着Si含量增大，薄膜沉积速率增大，但薄膜由致密形态向大颗粒疏松态过渡；薄膜的晶粒尺寸为7～50nm；Ti—Si—N薄膜的显微硬度高于TiN的硬度，最高可达60GPa；引入少量Si可以显著改善TiN薄膜的抗磨性能，但薄膜的摩擦系数较高(室温下约0．8、400℃下约0．7)；随着Si含量的增加，Ti—Si—N薄膜的耐磨性能有所降低，其原因在于引入导电性较差的Si元素使得薄膜的组织变得疏松．     

镁合金表面磁控溅射CNx/SiC/Ti多层膜的摩擦磨损性能

采用室温磁控溅射技术在镁合金(AZ91D)表面制备了CNx/SiC/Ti(氮化碳/碳化硅/钛)多层膜(SiC、Ti为中间层),研究了CNx薄膜的纳米压痕行为和摩擦磨损性能.结果表明:CNx薄膜具有低的纳米硬度(6.67GPa)、低的弹性模量(54.68GPa)和高的硬度与弹性模量比值(0.122);在以氮化硅球为对摩副的室温干摩擦条件下摩擦系数约为0.162,磨损率在10-6mm3/(m.N)级,薄膜经长时间(3.5h)磨损后未出现裂纹和剥落.分析表明,摩擦化学和硬度与弹性模量比值对摩擦系数和磨损率有重要影响.     

羽状氮化碳水润滑剂对环氧树脂-不锈钢配副摩擦学性能的影响

随着人们环保意识的逐渐增强,对可能存在污染或破坏环境且造成资源浪费的生产活动以及设备的更新升级提出了新的更高的要求. 对于介质润滑领域,尤其是应用广泛且节能环保的水润滑领域,相比传统的润滑油,水作为润滑剂除了安全性高和具有冷却作用外,最大特点就是绿色环保、节约资源且成本低廉. 但是,纯水本身具有一些不足之处,比如黏度低、耐极压能力差、承载和润滑性能差等,导致纯水不适合直接作为润滑剂,这在很大程度上限制了涉及水润滑相关产业的发展. 基于此,在本文中以柠檬酸和尿素为原料,采用一步水热法合成了羽状氮化碳材料. 此方法的特点在于可将氮化碳原位分散于水中,制成水基润滑剂,既实现了溶质的均匀分散和有效抑制团聚,同时可以制备微米级分布的水溶性氮化碳材料. 将其作为水润滑剂,利用环-块摩擦磨损试验机,以逐滴滴加的方式考察了不同质量分数羽状氮化碳对环氧树脂-不锈钢配副在苛刻边界润滑条件下的摩擦学性能. 材料的微观形貌表征结果表明:体相氮化碳在水热条件下直接发生了层间剥离,生成了层间结构蓬松的羽状结构材料. 由于水热条件下的高温和高压环境,导致其层间结合强度显著降低. 同时,蓬松的层间结构有利于氮化碳材料在摩擦过程中向界面转移,在界面形成薄而连续的转移膜. 界面转移物质的拉曼分析结果表明:相较于单纯去离子水,以羽状氮化碳为水润滑剂时,金属对偶表面转移的含碳物质的有序化程度显著提高,而且有序化程度随着水润滑剂中氮化碳含量的增加而逐步提高,间接表明氮化碳材料在界面形成了结构有序的转移膜. 而且氮化碳基转移膜的承载能力和润滑性能俱佳,它可有效保护环氧树脂(EP)-不锈钢配副,避免单纯去离子水润滑时因其承载和润滑性能差导致EP严重磨损的发生. 纯去离子水作为润滑剂时,配副的摩擦系数和EP磨损量分别为0.56和2.92×10?4 mm3/(N·m). 而逐滴添加质量分数20%的羽状氮化碳水润滑剂,上述配副的摩擦系数和EP磨损量分别下降了71.4%和78.1%. 原位水基羽状氮化碳作为一种新型绿色环保水润滑剂,在聚合物-金属配副的润滑设计和使用寿命延长方面具有一定的研究价值和应用潜力.      

金属掺杂高硬度类石墨薄膜结构及其摩擦学性能研究

利用磁控溅射技术制备了不同金属(Ti、Cr、Zr)掺杂类石墨（graphite-like carbon, GLC）薄膜,考察了金属掺杂对薄膜结构及其在不同环境下摩擦学性能的影响。结果表明：Ti、Cr、Zr掺杂促进了GLC膜中sp2结构的增加,但过快的金属共沉积速率易使薄膜出现柱状生长取向而变得疏松粗糙;高硬GLC膜在大气及水环境中具有良好的环境自适应减摩抗磨作用特性,适当的金属掺杂可以提高GLC膜硬度并降低其干摩擦系数,但会使其水环境中摩擦系数升高;致密度和硬度对GLC膜耐磨性至关重要,致密而硬的膜层磨损轻微。     

氮化钛硬质薄膜在不同种类润滑油下的摩擦学性能研究

采用球-盘摩擦试验机分别考察了氮化钛硬质薄膜与轴承钢和氮化硅陶瓷组成的摩擦副在不同种类润滑油条件下的摩擦学性能,并表征了其磨痕表面形貌与元素成份.结果显示:与Ti N硬质薄膜干摩擦性能相比,润滑油可显著降低摩擦系数,延长磨损寿命,且具有较长烷基碳链的润滑油性能较优;当上试球材料不同时,其油润滑条件下的性能亦不同.相同润滑油条件下,氮化硅球作为摩擦副时,其润滑性能优于轴承钢球.磨痕表面形貌及能谱分析结果表明:具有较长烷基碳链的润滑油在摩擦副研磨滑动过程中起到油性剂的作用,而短碳链硅油分子结构中含有氯元素,虽通过摩擦化学反应生成边界润滑膜,但不完整致密,以致短时间内润滑失效.     

Cr掺杂对GLC薄膜结构及其摩擦学性能的影响

采用磁控溅射方法制备类石墨碳膜(GLC)及掺杂金属Cr的类石墨碳膜(GLC-Cr),利用场发射扫描电子显微镜(SEM)、拉曼光谱仪(Raman)、X射线光电子能谱仪(XPS)、纳米压痕仪等测试技术对比分析两薄膜样品的结构及机械性能,利用UMT-3多功能摩擦磨损试验机考察其在大气、去离子水、发动机油3种环境下的摩擦学性能.结果表明:本实验参数下制备的类石墨碳膜中,Cr的掺杂促使了类石墨碳膜中sp2杂化键的形成,降低了GLC薄膜的硬度及弹性模量,但在3种不同环境下均使得类石墨碳膜的摩擦学性能得到明显改善.其中水介质的存在可明显降低类石墨碳膜的摩擦系数,而油润滑介质虽未使得其摩擦系数明显降低,但其摩擦曲线波动性及磨损率均最小.     

Al-DLC薄膜结构及其在水介质下摩擦学性能研究

采用磁控溅射技术,以Al为溅射靶材,甲烷为溅射气体,在不同射频功率下制备了一系列Al含量不同的类金刚石碳基薄膜(AL-DLC).分析了Al含量对薄膜成分、结构及机械性能的影响,并探讨了其在空气和水介质下的摩擦磨损行为.结果表明:Al掺杂使得薄膜中sp~3-C的生长受到抑制,sp~2-C增加,表面吸附水分子能力变强,在水介质摩擦过程中的剪切阻力变小,从而使得摩擦磨损减小.通过调整射频功率可以对薄膜中Al含量进行调控,在最优Al含量时,Al-DLC在空气和水介质中均具有优异的摩擦学性能.     

非晶碳薄膜固体超滑设计的滚-滑原则

固体超滑是指相互接触的滑动固体表界面间摩擦系数极低(10?3量级或更低)的现象,因此,开展固体超滑理论和超滑技术研究具有重要意义. 目前碳基薄膜固体超滑设计原则是引入杂原子后的表面钝化作用,尤其氢含量起到决定性作用,通常要求氢原子分数高于40%. 然而依据相图,高氢碳薄膜体系仅占碳薄膜种类的小部分,大量无钝化或者少钝化非晶碳薄膜超滑设计缺乏理论指导. 本文作者在前期研究基础上综述了国内外最新进展,面向贫氢非晶碳薄膜体系,提出从滚-滑角度认识无序界面无钝化或者钝化不足情况下摩擦机理,包括滑动机理、滚动机理、滚动-滑动共存,并在此基础上探讨了碳基薄膜的可能发展趋势,以及固体超滑可能的设计原则和方案.      

等离子体电解沉积的研究现状

等离子体电解沉积(PED)是一门新兴的材料表面处理技术.本文详细介绍了等离子体电解沉积的机 理及其在材料表面改性、生物材料、电子材料、高性能材料等方面的应用.其基本原理是: 当两极之间的电势差达到一定程度时, 电极与电解液界面处的电势突变产生的高电场强度, 可以击穿界面处的钝化膜、气体等电介质, 使得电极表面局部瞬间高温并发生复杂的物理、 化学反应, 从而在电极表面制备特定性能的陶瓷层或渗透层.在结构材料的应用方面, 可以 利用PED技术在铝合金、钛合金、镁合金等轻金属表面制备陶瓷层、可以对钢铁基体进行快 速碳氮共渗或涂覆金属镀层, 以提高这些材料的抗磨擦、耐腐蚀等性能.选择含有钙、磷元 素的电解液或是在电解液中添加羟基磷灰石粉末进行PED处理, 可以在钛合金表面制备具有 生物活性的陶瓷膜, 从而使植入体与自然骨形成分子水平的化学键合.选择适当的电解液, 可以制备BaTiO等离子体电解沉积;陶瓷层;表面改性;生物 材料;电子薄膜;DLC薄膜;氮化碳Plasma electrolytic deposition,Ceramic layer,Surface modification,Biomaterials,Electrolytic films,DLC films,Nitrogen-containing carbon films国家自然科学基金(50071066)2004年5月25日等离子体电解沉积(PED)是一门新兴的材料表面处理技术.本文详细介绍了等离子体电解沉积的机 理及其在材料表面改性、生物材料、电子材料、高性能材料等方面的应用.其基本原理是: 当两极之间的电势差达到一定程度时, 电极与电解液界面处的电势突变产生的高电场强度, 可以击穿界面处的钝化膜、气体等电介质, 使得电极表面局部瞬间高温并发生复杂的物理、 化学反应, 从而在电极表面制备特定性能的陶瓷层或渗透层.在结构材料的应用方面, 可以 利用PED技术在铝合金、钛合金、镁合金等轻金属表面制备陶瓷层、可以对钢铁基体进行快 速碳氮共渗或涂覆金属镀层, 以提高这些材料的抗磨擦、耐腐蚀等性能.选择含有钙、磷元 素的电解液或是在电解液中添加羟基磷灰石粉末进行PED处理, 可以在钛合金表面制备具有 生物活性的陶瓷膜, 从而使植入体与自然骨形成分子水平的化学键合.选择适当的电解液, 可以制备BaTiO等离子体电解沉积;陶瓷层;表面改性;生物 材料;电子薄膜;DLC薄膜;氮化碳Plasma electrolytic deposition,Ceramic layer,Surface modification,Biomaterials,Electrolytic films,DLC films,Nitrogen-containing carbon films国家自然科学基金(50071066)2004年5月25日等离子体电解沉积(PED)是一门新兴的材料表面处理技术.本文详细介绍了等离子体电解沉积的机 理及其在材料表面改性、生物材料、电子材料、高性能材料等方面的应用.其基本原理是: 当两极之间的电势差达到一定程度时, 电极与电解液界面处的电势突变产生的高电场强度, 可以击穿界面处的钝化膜、气体等电介质, 使得电极表面局部瞬间高温并发生复杂的物理、 化学反应, 从而在电极表面制备特定性能的陶瓷层或渗透层.在结构材料的应用方面, 可以 利用PED技术在铝合金、钛合金、镁合金等轻金属表面制备陶瓷层、可以对钢铁基体进行快 速碳氮共渗或涂覆金属镀层, 以提高这些材料的抗磨擦、耐腐蚀等性能.选择含有钙、磷元 素的电解液或是在电解液中添加羟基磷灰石粉末进行PED处理, 可以在钛合金表面制备具有 生物活性的陶瓷膜, 从而使植入体与自然骨形成分子水平的化学键合.选择适当的电解液, 可以制备BaTiO等离子体电解沉积;陶瓷层;表面改性;生物 材料;电子薄膜;DLC薄膜;氮化碳Plasma electrolytic deposition,Ceramic layer,Surface modification,Biomaterials,Electrolytic films,DLC films,Nitrogen-containing carbon films国家自然科学基金(50071066)2004年5月25日等离子体电解沉积(PED)是一门新兴的材料表面处理技术．本文详细介绍了等离子体电解沉积的机理及其在材料表面改性、生物材料、电子材料、高性能材料等方面的应用．其基本原理是：当两极之间的电势差达到一定程度时，电极与电解液界面处的电势突变产生的高电场强度，可以击穿界面处的钝化膜、气体等电介质，使得电极表面局部瞬间高温并发生复杂的物理、化学反应，从而在电极表面制备特定性能的陶瓷层或渗透层．在结构材料的应用方面，可以利用PED技术在铝合金、钛合金、镁合金等轻金属表面制备陶瓷层、可以对钢铁基体进行快速碳氮共渗或涂覆金属镀层，以提高这些材料的抗磨擦、耐腐蚀等性能．选择含有钙、磷元素的电解液或是在电解液中添加羟基磷灰石粉末进行PED处理，可以在钛合金表面制备具有生物活性的陶瓷膜，从而使植入体与自然骨形成分子水平的化学键合．选择适当的电解液，可以制备BaTiO3、SrTiO3、NaTaO3、SrZrO3等钙钛矿结构电子薄膜．利用有机溶液高电压电解，可以制备类金刚石(DLC)薄膜、氮化碳等高性能的材料．文中对PED涂层的残余应力、涂层与基体的结合力、界面断裂韧性、微观缺陷对宏观性能的影响等力学问题进行了讨论．等离子体电解沉积在轻金属特别是铝合金表面制备陶瓷层已经取得了成功，在钢铁材料的表面处理、DLC薄膜和氮化碳的制备等方面有一些初步进展，在生物活性陶瓷薄膜和电子薄膜方面也有应用前景．     

TA2表面磁控溅射CNx/SiC薄膜的纳米压痕与摩擦磨损性能

采用室温磁控溅射技术在工业纯钛(TA2)表面制备出氮化碳/碳化硅(CNx/SiC)双层薄膜,SiC为中间层.研究了CNx薄膜的纳米压痕行为和摩擦磨损性能.试验结果表明:CNx薄膜的纳米硬度(H)为15.80 GPa,杨氏弹性模量(E)为130.88 GPa,硬度与弹性模量比值(H/E)为0.121;与φ4mm的氮化硅球对摩,在载荷1.96 N、室温Kokubo人体模拟体液条件下,CNx薄膜的磨损速率为10-6mm3/(m·N)级,摩擦系数约为0.124,磨损后薄膜未出现裂纹和剥落.分析表明,薄膜具有的良好抗磨性能与其H/E高、抗腐蚀性强以及摩擦系统摩擦系数低相一致.