氮和碳等离子体基离子注入铝合金表面氮化铝／类金刚石碳膜改性层的摩擦学特性

对铝合金LY12进行等离子体基氮离子注入后再进行原位碳注入,从而在铝合金表面形成氮化铝（A1N）/类金刚石碳膜（DLC）改性层,考察了改性层的硬度及其在不同载荷下的滑动摩擦磨损特性;用X射线光电子能谱仪和小掠射角X射线衍射仪分析了A1N/DLC改性层的成分及相结构,用激光Raman光谱仪分析了表面单一碳层及磨痕的结构,结果表明：A1N/DLC改性层总厚度达800nm,最表层为厚400nm的DLC薄膜,过渡层主要由A14C3、β-C3N4、Al2O3及AlN等组成,注氮层由Al2O3和lN等组成;表面纳米硬度可达17.4GPa,比LY12的硬度高近10倍;在低载荷下,改性层的耐磨寿命与LY12合金相比提高了约20倍,摩擦系数降低了3-5倍,耐磨性提高了近170倍;随着滑动载荷的增加,其耐磨寿命和摩擦系数逐渐减小,而高的承载能力得以保持,DLC薄膜的耐磨减摩作用、过渡层及注氮层的支撑作用以及DLC薄膜在摩擦磨损过程中的石墨化作用是摩擦学性能提高的主要原因。     

溶胶-凝胶法制备的ZrO_2薄膜的摩擦学性能研究

在 Si(10 0 )基片上制备晶态 Zr O2 薄膜 ,考察了薄膜的摩擦学性能和摩擦磨损机制 .结果表明 :在低负荷 (0 .5 N )下 ,Zr O2 薄膜与 GCr15钢球和 Si3N4陶瓷球对摩时具有优良的抗磨减摩性能 ,在滑动 5 0 0 0次时的摩擦系数分别为0 .14和 0 .13;但随着负荷和滑动速度的增大 ,薄膜的耐磨寿命降低 ,摩擦系数增大 .采用扫描电子显微镜对薄膜磨痕表面形貌进行观察分析 ,发现在较低负荷和滑动速度条件下 ,Zr O2 薄膜的磨损机制为轻微擦伤 ;而在相对较高的负荷和滑动速度条件下 ,其磨痕表面呈现塑性变形 ,严重擦伤和断裂剥落特征     

直流射频等离子体增强化学气相沉积类金刚石碳薄膜的结构及摩擦学性能研究

利用直流射频等离子增强化学气相沉积技术在单晶硅表面制备了类金刚石碳薄膜．采用Raman光谱、红外光谱、x射线光电子能谱和原子力显微镜等研究了薄膜的微观结构和表面形貌,在UMT-2MT型摩擦磨损试验机上考察了薄膜在不同载荷与滑动速度下的摩擦学性能。结果表明：所制备的类金刚石碳薄膜具有典型的类金刚石结构特征,薄膜均匀、致密,表面粗糙度小,硬度较高;薄膜与Si3N4陶瓷球对摩时显示出良好的抗磨减摩性能;随着试验载荷与滑动速度的提高,薄膜的摩擦系数降低,耐磨寿命降低;薄膜的减摩抗磨性能同其在Si3N4陶瓷球偶件磨损表面形成的转移膜相关。     

溶胶—凝胶法制备的ZrO2薄膜的摩擦学性能研究

在Si(100)基片上制备晶态ZrO2薄膜,考察了薄膜的摩擦学性能和摩擦磨损机制。结果表明：在低负荷（0．5N）下,ZrO2薄膜与GCr15钢球和Si3N4陶瓷球对摩时具有优良的抗磨减摩性能,在滑动5000次时的摩擦系数分别为0．14和0．13;但随着负荷和滑动速度的增大,薄膜的耐磨寿命降低,摩擦系数增大。采用扫描电子显微镜对薄膜磨痕表面形貌进行观察分析,发现在较低负荷和滑动速度条件下,ZrO2薄膜的磨损机制为轻微擦伤;而在相对较高的负荷和滑动速度条件下,其磨痕表面呈现塑性变形,严重擦伤和断裂剥落特征。     

电化学沉积DLC薄膜的摩擦学性能研究

采用直流电源,以有机溶剂作为碳源,通过电化学沉积方法在单晶硅表面制备了类金刚石碳薄膜．用原子力显微镜、拉曼光谱仪和傅立叶红外光谱仪等表征了薄膜的结构,用DF-PM型动-静摩擦系数精密测定仪考察了薄膜的摩擦学性能．结果表明：电化学沉积含氢类金刚石碳薄膜的硬度较高(约14GPa),薄膜均匀、致密,表面粗糙度小;在室温干摩擦条件下,薄膜同GCrl5钢以及α-Al2O和Si3N4陶瓷对摩时的摩擦系数随载荷增加而略微减小;陶瓷材料／类金刚石碳膜的摩擦系数较低,钢／类金刚石碳膜的摩擦系数较高;类金刚石碳薄膜同Si3N4陶瓷对摩时呈现断裂剥落特征;同GCrl5钢对摩时发生转移并形成转移膜,耐磨寿命缩短．     

钛合金表面液相电解类金刚石碳膜的摩擦磨损性能

采用液相电解法在钛合金表面制备了类金刚石碳(DLC)膜,利用拉曼光谱仪和傅立叶红外光谱仪表征了DLC薄膜的结构,考察了其机械及摩擦磨损性能,并通过划痕试验测定了类金刚石碳膜与钛合金基体之间的临界剥离载荷.结果表明:所制备的类金刚石碳膜的摩擦系数较低,其摩擦系数随着载荷的增加而略有降低;抗磨性能则随着载荷的增加而变差;类金刚石碳膜与钛合金基体之间的临界剥离载荷为0.882N.     

中频磁控溅射沉积含铝类金刚石碳膜结构及其摩擦磨损性能研究

采用中频磁控溅射技术在单晶硅表面制备含铝类金刚石(Al-DLC)薄膜,利用原子力显微镜、X射线光电子能谱仪、红外光谱仪、纳米压痕仪和微摩擦磨损试验机等考察薄膜表面形貌、结构及其摩擦磨损性能.结果表明:所制备的Al-DLC薄膜均匀、致密,表面粗糙度小,应力较低,硬度较高;薄膜与Si3N4陶瓷球对摩时显示出良好抗磨减摩性能;加基底偏压所制备薄膜的摩擦系数明显降低, 耐磨寿命显著提高.     

离子液体/织构化类金刚石碳复合润滑薄膜的构筑及其摩擦学性能的研究

分别采用激光织构、磁控溅射和浸渍-提拉技术在单晶硅片表面成功构筑了具有离子液体纳米薄膜的织构化类金刚石碳复合润滑薄膜,采用三维轮廓仪和SEM观察了织构化类金刚石碳表面,通过X射线光电子能谱证实了织构化类金刚石碳膜表面离子液体纳米薄膜的存在,并利用微摩擦试验机重点考察和理论分析了这种复合润滑薄膜在较大和微载荷下的摩擦学性能.研究结果表明:这种离子液体/织构化类金刚石碳复合润滑薄膜在微载荷下能够有效地缩短磨合时间、降低摩擦系数,然而其在小载荷下摩擦学性能欠佳.     

钛合金表面DLC薄膜的制备及其与不同材料配副的摩擦学性能研究

利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在钛合金TC4表面制备了梯度结构DLC薄膜,并研究了DLC薄膜微观形貌结构、力学性能以及不同对偶球材料(包括4种陶瓷与4种金属材料)对其摩擦学性能的影响. 结果表明:所制备的梯度结构DLC薄膜表面相对光滑平坦且与基底结合紧密,具有良好的力学性能;对于陶瓷球/DLC配副,在摩擦过程中由于对偶球硬度较大且耐磨,从而在陶瓷球表面易于形成稳定的碳质转移膜,SiC/DLC、Si₃N₄/DLC和ZrO₂/DLC表现为轻微的磨粒磨损和黏着磨损,而Al₂O₃球表面的碳元素含量较高使得DLC薄膜虽然发生破损和剥落但其摩擦系数仍保持在较低水平;金属球/DLC与陶瓷/DLC相比较,由于金属对偶球硬度较低,在摩擦过程中碳质转移膜无法稳定地覆盖在金属球,引起较高的摩擦系数,Al/DLC主要表现为严重的磨粒磨损,而Brass/DLC、304SS/DLC和GCr15/DLC主要为轻微的磨粒磨损或黏着磨损;SiC/DLC、ZrO₂/DLC、304SS/DLC和GCr15/DLC的DLC薄膜均具有较低的摩擦系数和磨损率且对偶球的磨斑较小,故其为较合理的摩擦副. 赫兹接触分析表明,陶瓷/DLC中除了ZrO₂/DLC,平均摩擦系数和计算接触半径的变化趋势是一致的,而在金属/DLC中并未发现这一规律.      

MoS2-C异质复合薄膜的真空超滑行为及其机制研究

采用闭合场非平衡磁控溅射技术制备了MoS₂-C异质复合薄膜,利用多环境可控摩擦试验机测试了薄膜在真空环境中的摩擦学性能,通过拉曼光谱仪(Raman)、X射线衍射仪(XRD)和透射电子显微镜(TEM)等表征手段分析了薄膜摩擦前后结构的变化,探讨了超润滑机理.结果表明：复合薄膜呈现致密的“纳米晶/非晶”结构,在真空中具有优异的摩擦学性能,保持了超低摩擦系数(0.006～0.009)和磨损率[1.026×10^-7 mm³/(N·m)],达到了超润滑状态.摩擦过程中碳选择性转移到钢球表面形成非晶碳转移层,薄膜磨痕表面形成有序的MoS₂ (002)晶面,摩擦发生在MoS₂有序晶体和非晶碳转移膜之间,形成非公度异质接触,降低摩擦系数实现超润滑.钢球/MoS₂-Ti、a-C:H/MoS₂-Ti摩擦配副在相同条件下的不同摩擦行为,也证明了上述超润滑机理.     

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.     

用等离子体增强化学气相沉积技术制备类金刚石碳薄膜的摩擦磨损性能研究

利用射频-直流等离子体增强化学气相沉积技术在单晶硅衬底上沉积类金刚石碳薄膜,采用激光拉曼光谱仪和原子力显微镜对薄膜的结构和表面形貌进行表征,采用纳米压痕仪测定薄膜的硬度,并用UMT型微摩擦磨损试验机考察了薄膜在不同试验条件下的摩擦磨损性能.结果表明:所制备的类金刚石碳薄膜表面光滑致密且硬度较高;在干摩擦条件下与GCr15钢球或Al2O3球配副时显示出良好的减摩抗磨性能,摩擦系数较低,耐磨寿命较长,而在水润滑条件下同Al2O3球配副时发生灾难性磨损.     

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).     

类金刚石涂层在不同载荷和湿度下的摩擦特性

利用磁过滤阴极弧等离子体沉积装置在单晶硅基底上制备了类金刚石涂层，采用原子力显微镜和纳米压痕仪测定了其表面形貌及硬度，在DF－PM型动－静摩擦系数精密测定仪上考察了涂层在不同载荷及湿度下同GCr15钢对摩时的摩擦性能。结果表明，在不同环境湿度条件下DLC涂层的摩擦性能明显不同，这主要归因于转移膜形成机理的不同；在3N载荷下，DLC涂层同GCr15钢对摩时的摩擦系数相对较小，且较为稳定；当环境湿度增大至100％时，摩擦系数显著增大，并发生类似于含氢类金刚石涂层的灾难性磨损。     

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.     

硬脂酸钾固体润滑薄膜的制备及其摩擦磨损性能研究

采用浸渍-提拉法制备出硬脂酸钾薄膜,用DF-PM型静-动摩擦磨损试验机和UMT-2MT型摩擦磨损试验机考察了在低速滑动和高速滑动条件下硬脂酸钾薄膜的摩擦磨损性能,采用扫描电子显微镜和X射线能量色散谱仪观察分析了薄膜及偶件磨损表面的形貌及其典型元素的面分布情况.结果表明,以GCr15钢球为偶件在高速滑动和以氮化硅球作为偶件在高、低速滑动条件下,薄膜具有较好的摩擦磨损性能.由于钢球和氮化硅陶瓷球表面粗糙度及其化学状态存在差异,硬脂酸钾更容易在氮化硅球表面形成转移膜,从而具有更低的摩擦系数和更长的耐磨寿命.     

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.