原子层沉积氧化铝薄膜摩擦学性能研究

不同温度条件下,采用原子层沉积(ALD)技术在单晶硅基底表面制备了Al2O3薄膜.利用原子力显微镜观察了Al2O3薄膜的表面形貌和粗糙度,利用纳米压痕仪测定了薄膜的硬度,并通过UMT-2型往复摩擦磨损试验机(球-盘接触方式)考察了制备温度、载荷和对偶球对Al2O3薄膜的摩擦学性能的影响.结果表明:不同温度条件下制备得到的Al2O3薄膜的粗糙度不同;制备温度为100和200℃的Al2O3薄膜的摩擦性能较优;在所用载荷范围内,摩擦系数存在最低值;与不同对偶球对摩时,由于对偶球硬度不同,Al2O3薄膜呈现不同的摩擦磨损现象.     

钛合金表面类金刚石碳梯度薄膜的摩擦磨损性能研究

与Ti6Al4V合金／超高分子量聚乙烯摩擦副对比,考察了Ti6Al4V合金表面类金刚石碳梯度薄膜／超高分子量聚乙烯摩擦副在干摩擦以及Hank’s溶液和生理盐水润滑下的摩擦磨损性能,采用扫描电子显微镜观察试样磨损表面形貌,并进而分析磨损机理。结果表明,类金刚石碳梯度薄膜具有良好的减摩抗磨性能,其体积磨损率约为相同条件下Ti6Al4V合金体积磨损率的50％,相应的超高分子量聚乙烯偶件的磨损率亦较低,类金刚石碳梯度薄膜的磨损呈现轻微磨粒磨损特征,而超高分子量聚乙烯可抑制类金刚石碳梯度薄膜的磨粒磨损。     

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。     

偏压对硅掺杂类金刚石碳膜力学及摩擦学性能的影响

通过磁控溅射沉积过程中,硅靶表面中毒制备表面微量硅掺杂类金刚石薄膜,并改变沉积偏压制备出不同结构及性能的含硅类金刚石薄膜.利用XPS、拉曼光谱仪、SEM、纳米压痕仪和摩擦磨损试验机等手段表征含硅类金刚石薄膜的结构、横截面形貌、力学性能及摩擦学性能.结果表明：偏压为-600 V下沉积Si-DLC薄膜具有致密结构,高结合力,高硬度的特性,在大气环境下,薄膜与Al2O3陶瓷球对摩表现出优良的摩擦学性能,摩擦系数与磨损率分别为0.018和1.60×10-16 m3/（N.m）.     

一种类富勒烯碳膜与不同偶件对摩时的摩擦学行为及其机制研究

采用磁控溅射钛靶,以甲烷和氩气为前驱体,在单晶硅片表面制备了类富勒烯碳薄膜,采用高分辨率透射电子显微镜对薄膜的微观形貌进行了表征,采用纳米压痕仪测定了薄膜的硬度及弹性回复,在球-盘微摩擦试验机上考察了薄膜与不同偶件（Si3N4球、Al2O3球、钢球）对摩的摩擦学行为.结果表明,薄膜具有类富勒烯结构特征,薄膜的硬度为20.9 GPa,对应的弹性回复高达85%.薄膜的摩擦性能与摩擦偶件相关：FL-C薄膜与Si3N4球对摩时磨屑在Si3N4球接触面充分覆盖,所形成的转移膜充当固体润滑剂而有效降低了摩擦系数;FL-C薄膜与钢球对摩时,由于钢球硬度远低于FL-C薄膜硬度,导致钢球在较高的接触压力下发生变形而使其表面粗糙度变大,摩擦系数增大,且FL-C薄膜表面发生了较为强烈的摩擦氧化反应,破坏了薄膜的原始结构,新生成的氧化聚合物结构较为疏松,在摩擦剪切作用下易于发生磨损.     

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．     

摩擦偶件材料对非晶含氢碳薄膜摩擦学性能的影响

利用等离子体增强化学气相沉积技术在单晶硅基底上制备了非晶含氢碳薄膜；采用Raman光谱仪、红外光谱仪和原子力显微镜等研究了碳膜的微观结构和表面形貌；采用UMT-2MT型摩擦磨损试验机考察了摩擦偶件材料对碳膜摩擦学性能的影响，并探讨了其磨损机制．结果表明：所制备的非晶含氢碳膜均匀、致密，硬度较高；当碳膜同高硬度陶瓷材料配副时，其摩擦系数低而稳定，薄膜呈现轻微擦伤和剥落磨损特征；当碳膜同低硬度的金属材料配副时，其摩擦系数高且不稳定，薄膜呈现严重粘着和磨粒磨损特征．薄膜的摩擦磨损行为同薄膜和摩擦偶件之间的相互转移有关．     

含氮类金刚石薄膜的力学和摩擦学性能的研究

利用脉冲等离子体增强化学气相沉积系统沉积了含氮类金刚石碳薄膜.利用X射线光电子能谱和红外光谱分析了薄膜的化学键状态,在UMT摩擦磨损试验机上考察了薄膜的摩擦学性能,利用扫描电子显微镜分析了摩擦对偶球表面的转移膜形貌.结果表明:随着薄膜中氮含量的增加,薄膜中的sp2C含量增加,硬度有所降低,薄膜的平均摩擦系数先减小后增加.     

医用NiTi形状记忆合金表面类金刚石薄膜的生物摩擦磨损性能研究

利用脉冲电弧离子镀在医用NiTi形状记忆合金基底上沉积无氢类金刚石（DLC）薄膜，采用Raman光谱分析薄膜的微观结构，在UMT-2MT型摩擦磨损试验机上考察了薄膜的体外生物摩擦磨损特性．结果表明：所制备的类金刚石碳薄膜为四面体非晶碳薄膜，具有典型的类金刚石结构特征；在干摩擦及0．9％NaCl溶液和Hank’s溶液润滑条件下，DLC薄膜显示出良好的抗磨减摩性能；在NiTi合金表面沉积DLC薄膜以提高其生物相容性是可行的。     

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.     

单晶硅表面等离子体基离子注入碳纳米薄膜的摩擦学特性

用等离子体基离子注入(PBII)技术在单晶硅表面制备了碳纳米薄膜,考察了薄膜在不同载荷及速度下同Si3N4球对摩时的摩擦学性能,并采用扫描电子显微镜观察分析了磨痕表面形貌.结果表明,所制备的碳纳米薄膜光滑致密,为高硬度富弹性的类金刚石碳(DLC)膜,薄膜通过C-Si键合作用而同硅片表面形成牢固结合,且成分及结构呈现某种梯度变化特征,单晶硅经改性后摩擦学性能大幅度改善:在低载荷(0.5 N)下其耐磨寿命达3 h以上,摩擦系数处于0.10～0.30之间,磨痕不明显;在高载荷(4 N)下其耐磨寿命及摩擦系数(0.03～0.20之间)均明显降低.这是由于较高载荷或滑动速度导致DLC薄膜石墨化加剧所致.     

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。     

Cu/Ni-P多层膜的制备及其摩擦学性能研究

用电沉积方法制备了软硬层交替的Cu／Ni-P多层膜，用原子力显微镜观察分析了多层膜的表面形貌，用X射线衍射仪测定了其相结构；采用动一静摩擦系数精密测量装置考察了多层膜的摩擦学性能和摩擦磨损机制；采用扫描电子显微镜观察分析了其磨损表面形貌．结果表明：Cu／Ni-P多层膜与钢球对摩时具有较好的抗磨减摩性能；在低载荷和低滑动速度下，多层膜的磨痕表面存在擦伤痕迹和较浅的犁沟；在高载荷下多层膜发生严重粘着磨损和剥落。     

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.      

高承载高耐磨Cr3C2-NiCr/DLC复合涂层制备及摩擦学行为

采用超音速火焰喷涂(HVOF)和等离子体辅助化学气相沉积(PACVD)技术制备Cr₃C₂-NiCr/DLC复合涂层,对比研究其与单层DLC薄膜的微观结构、机械性能和不同载荷下的摩擦磨损行为. 结果表明:Cr₃C₂-NiCr/DLC复合涂层的结合力、承载力和摩擦学性能比单层DLC薄膜显著提高;HVOF制备的Cr₃C₂-NiCr中间承载层对表层DLC薄膜的微观结构和纳米硬度影响不大;Cr₃C₂-NiCr/DLC复合涂层在高载下的优异摩擦学性能归因于避免了高接触应力下发生塑性变形而导致DLC薄膜在摩擦磨损过程中的脆性断裂和剥落失效行为. 此外,在不同载荷下的摩擦过程中DLC薄膜和Cr₃C₂-NiCr/DLC复合涂层均未发生石墨化,其摩擦学行为主要取决于不同接触应力下的磨损机制变化和对偶球表面摩擦转移膜演化.      

多弧镀及磁过滤阴极弧沉积TiN薄膜的摩擦学性能对比

分别采用多弧离子镀(MAIP)和带有平面"S"形过滤管的磁过滤阴极弧设备(FCAP)在不锈钢基底上制备了2种TiN薄膜;采用往复式球-盘摩擦磨损试验机评价了2种薄膜的摩擦学性能;采用扫描电子显微镜观察和分析了薄膜磨斑表面形貌及其元素面分布.结果表明:采用FCAP技术制备的薄膜表面光滑、缺陷少、普遍具有明显的(111)面择优取向;而采用MAIP技术制备的薄膜表面存在较多大小不一的颗粒和孔洞,且无明显取向.在较低载荷下,采用FCAP薄膜表现出较好的抗磨性能,其磨斑表面存在沉积的TiN磨屑;而采用MAIP制备的薄膜磨斑表面无转移沉积磨屑,摩擦系数较高.     

炭纤维增强环氧树脂复合材料/N80钢摩擦学性能研究

利用MG-200型摩擦磨损试验机研究了炭纤维增强环氧树脂复合材料/N80钢的摩擦学性能,考察了介质温度对摩擦学性能的影响;用扫描电子显微镜分析了磨损表面形貌.结果表明:在干摩擦条件下,炭纤维增强环氧树脂复合材料与N80钢对摩时的摩擦系数较低,炭纤维增强环氧树脂复合材料的磨损主要表现为树脂基体脱落碳化和炭纤维的折断剥落,偶件钢环则呈现明显的磨粒磨损特征;在油井产出液润滑下炭纤维增强环氧树脂复合材料的磨损率较低,摩擦系数和磨损率随着润滑介质温度的升高而增大,偶件钢环则呈现明显的磨粒磨损和腐蚀磨损特征.     

载荷及位移幅值对DLC薄膜微动磨损行为的影响

为了提高TC4钛合金表面的抗微动磨损性能,在本文中采用非平衡磁控溅技术(Unbalanced Magnetron Sputtering)在TC4钛合金表面沉积了类金刚石(DLC)薄膜. 采用球/平面接触形式研究了DLC薄膜的微动摩擦磨损行为. 在不同法向载荷和位移幅值下,结合微动运行工况图研究了DLC薄膜滑移状态和损伤机理. 利用原子力显微镜、纳米压痕仪、激光拉曼光谱仪、激光共聚焦显微镜、场发射扫描电子显微镜和SRV-V微动摩擦磨损试验机等设备对DLC薄膜进行性能的表征和微动摩擦磨损性能测试. 通过微动图,摩擦耗散能,磨痕形貌、化学成分分析揭示其损伤机理. 结果表明:载荷和位移幅值对DLC薄膜微动摩擦磨损行为和损伤机理有显著影响. 当位移幅值为25 μm 时,微动运行于混合滑移(mixed slip regime,MSR)情形下,当位移幅值为100 μm时,微动运行于完全滑移(gross slip regime,GSR)情形下. 小位移幅值时,DLC薄膜磨损机理是磨粒磨损为主;大位移幅值时,DLC薄膜磨损机理是黏着磨损为主. 干摩擦条件下,DLC薄膜有良好的抗微动磨损性能,关键就在于其优异力学性能和自润滑特性.