钢表面钼沉积及渗硫复合改性层的摩擦学性能

采用多弧离子镀及低温离子渗硫复合镀渗工艺在45^#钢表面制备了含MoS2的钼基复合表面改性薄膜，在QP-100型球-盘式摩擦磨损试验机上考查了复合薄膜在油润滑条件下的摩擦学性能．用原子力显微镜及扫描电子显微镜观察分析了薄膜表面、截面和其磨损表面形貌及成分，用X射线衍射仪及俄歇电子能谱仪分析了薄膜的相结构及组成元素沿深度分布．结果表明，含MoS2的复合镀渗薄膜由Mo、MoS2及少量FeS组成，其在油润滑条件下同轴承钢对摩时表现出优良的摩擦学性能．     

二硫化钼改性聚甲醛自润滑复合材料的微观摩擦学性能研究

用市售微米MoS2(micro-MoS2)、自制MoS2纳米球(MoS2 nano-balls)与MoS2夹层化合物(MoS2-IC)分别共混填充到聚甲醛(POM)中,然后把此共混物复合到铜粉钢板上,制备出系列改性POM/铜/钢3层复合轴承材料.在UST万能表面测试仪上对复合材料的微观摩擦学性能进行了测试.结果显示POM/MoS2-IC复合材料的微观摩擦学性能并不理想,分析原因认为在MoS2夹层过程中,MoS2的晶型由摩擦学性能优良的2H型转变成了相对较差的1T型.POM/MoS2 nano-balls复合材料表现出了优良的微观摩擦学性能,这归咎于其独特的球形封闭结构引起的化学稳定性升高,此外在摩擦过程中球形结构可以通过剥层与转移起到润滑作用.     

等离子体沉积碳氟聚合物薄膜的纳米摩擦性能研究

利用原子力显微镜研究了感应等离子体刻蚀加工过程中单晶硅表面形成的不同厚度的碳氟聚合物薄膜的纳米摩擦特性，并针对几种不同的摩擦模式探讨了原子力显微镜探针在不同厚度的碳氟聚合物薄膜表面的摩擦行为．结果表明，同硅基体相比，聚合物薄膜的摩擦力信号明显较弱，薄膜的纳米摩擦特性同其厚度密切相关；碳氟聚合物薄膜在同Si3N4针尖接触过程中可向针尖表面转移，从而对针尖起修饰作用，以减轻微观摩擦磨损．     

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.     

热处理对GeSb2Te4薄膜微观结构及其摩擦性能的影响

利用射频溅射法制备了GeSb2Te4薄膜并对其进行热处理,分析热处理前后样品的结晶情况,用纳米硬度计测定硬度,利用静电力显微镜表征样品的表面电势,采用原子力显微镜观察薄膜表面形貌,利用侧向力显微镜对比考察了在考虑相对湿度的情况下,热处理前后GeSb2Te4薄膜的粘附力和摩擦性能.结果表明:经过退火的沉积态GeSb2Te4薄膜发生从非晶相到fcc亚稳相再到hex稳定相转变;粘附力与表面粗糙度之间没有明显的对应关系,但与样品表面自由能和表面电势有一定关系;在低载荷下GeSb2Te4薄膜的摩擦力很大程度上受粘附力支配,而在高载荷下的摩擦力受犁沟影响显著;经过340 ℃退火GeSb2Te4薄膜由于具有层状结构,呈现出一定的润滑作用.     

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）.     

MoS2／Ti复合薄膜对Ti811合金高温摩擦磨损性能及微动疲劳行为的影响

利用非平衡磁控溅射方法在Ti811合金表面制备MoS2/Ti复合薄膜,研究薄膜的成分、膜-基结合强度和显微硬度,以及MoS2/Ti复合薄膜对Ti811合金基材在350℃中的摩擦磨损性能和微动疲劳性能的影响.结果表明:利用非平衡磁控溅射技术可以获得致密度高、晶粒细化、孔隙率低和膜-基结合强度高的MoS2/Ti复合薄膜;MoS2/Ti复合薄膜对Ti811合金表面具有良好的减摩润滑作用,能够显著改善Ti811合金在350℃下的摩擦磨损性能和微动疲劳性能;经喷丸强化处理后再进行非平衡磁控溅射MoS2/Ti复合薄膜,可以使Ti811合金在350℃下的耐微动疲劳性能优于MoS2/Ti薄膜,但不及喷丸强化处理的结果.这是由于非平衡磁控溅射工艺过程降低了喷丸强化层的残余压应力.     

GeSb2Te4薄膜表面分形维数计算及表征

采用低功率直流磁控溅射法制备了GeSb2Te4薄膜,利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪和原子力显微镜(AFM)分析了薄膜的微观结构和相组成,研究了薄膜表面的分形特征.结果表明:沉积态GeSb2Te4薄膜为无规则、无择优取向的非晶材料;薄膜表面形貌AFM图像具有分形特征,基于自行编制的采用盒计数法求解随机分形维数的C语言程序,计算得到沉积态GeSb2Te4薄膜的分形维数为1.93;针对一维和二维随机分形多重分形谱的计算表明,沉积态GeSb2Te4薄膜满足分形的标度不变性;通过对沉积态和退火态薄膜进行多维分形谱计算,发现经过230 ℃退火处理的薄膜样品的多维分形谱较窄且晶化分布均匀.     

非平衡磁控溅射沉积MoS2-Ti 复合薄膜的结构与真空摩擦磨损性能研究

采用非平衡磁控溅射法制备MoS2-Ti复合薄膜,采用SEM、XRD和XRF对薄膜的结构进行表征,在真空球-盘摩擦试验机上评价试验载荷、转速以及基底材料种类对薄膜真空摩擦磨损性能的影响.结果表明:MoS2-Ti复合薄膜表面致密均匀,断面为细柱状结构,呈MoS2(002)基面择优取向,薄膜中Ti含量为8 wt.%,S∶Mo原子比为1.8.在真空度优于5×10-3Pa、室温环境中,当试验载荷从5 N增加至20 N时,薄膜的摩擦系数和耐磨寿命都呈减小趋势,摩擦系数变化符合赫兹接触理论模型;当试验速度从250 r/min提高至1 000 r/min时,薄膜的摩擦系数逐渐减小,耐磨寿命变化量较小;不同基体材料上薄膜的摩擦系数平均值均为0.02,9Cr18、45#钢和40Cr基材上薄膜耐磨寿命区别不大,在20~25 km之间,磨损形式为磨粒磨损,30CrMnSi上薄膜耐磨寿命明显下降,只有10.3 km,磨损形式为黏着磨损,研究结果表明如果基底材料与摩擦对偶间发生黏着磨损,会明显降低其表面沉积薄膜的耐磨寿命.     

Si-B-N复合薄膜的结构及摩擦学性能研究

利用三极射频-直流负偏压-等离子体增强化学气相沉积技术在45#钢表面制备了附着力较强的Si-B-N复合薄膜;采用X射线衍射仪和X射线光电子能谱仪分析了所制备的Si-B-N复合薄膜的组成和结构,通过划痕试验和球-盘摩擦磨损试验考察了薄膜与基体的附着力及摩擦学性能.结果表明:通过合理地控制工艺参数,并对试样基体施加适当的直流负偏压,可以制得含六方氮化硼(h-BN)和立方氮化硼(c-BN)混合相的Si-B-N复合薄膜;而在Si-B-N复合薄膜表面引入沉积MoS2薄膜可以改善其摩擦学性能.     

纳米MoS2薄膜的浸涂—热解法制备和摩擦学性能研究

用浸涂 -热解法在玻璃基底表面制备了纳米 Mo S2 薄膜 ,利用 X射线光电子能谱仪、X射线粉末衍射仪、原子力显微镜、静 -动摩擦系数测量仪和扫描电子显微镜等仪器研究了薄膜的微观结构、表面形貌和摩擦学性能 ,初步探讨了薄膜的摩擦磨损机制 .结果表明 :浸涂 -热解法制备的 Mo S2 薄膜由近似非晶的纳米微晶组成 ,薄膜均匀、致密 ,表面粗糙度小 ;在室温干摩擦条件下 ,Mo S2 薄膜与 GCr15钢球对摩时显示出良好的抗磨减摩性能 ;当负荷为 1.0 N而滑动速度为 90 mm/ min时 ,其耐磨寿命大于 5 0 0 0次 ,摩擦系数最低可达 0 .12 .磨损表面形貌显微分析表明 :在低速和低负荷下薄膜的磨损机制主要是塑性变形和轻微粘着转移 ,而在较负荷和速度下的主要磨损机制为塑性变形和严重剥落     

用侧向力显微镜对不同非晶态GeSbTe薄膜的摩擦性能研究

采用侧向力显微镜研究了磁控溅射方法制备的GeSbTe薄膜在大气环境中的纳米级摩擦性能,考虑了相对湿度、扫描速度及表面粗糙度对其摩擦性能的影响,对比不同成分的GeSbTe薄膜的摩擦特性.结果表明:在相对湿度较大时,扫描速度对针尖和GeSbTe薄膜之间的摩擦力影响很大;在其它条件相同、外加载荷较大时,同一载荷下的摩擦力与表面粗糙度呈线性关系,但在外加载荷较小的情况下,二者呈现非线性变化规律;相对湿度对Ge2Sb2Te5薄膜和针尖的粘附力影响较GeSb2Te4薄膜弱,且粘附力使得摩擦系数减小;在同一相对湿度下,由于薄膜成分的变化导致硬度不同,其对薄膜的摩擦性能也有一定影响.     

Peeling behavior of a viscoelastic thin-film on a rigid substrate

In order to study the adhesion mechanism of a viscoelastic thin-film on a substrate, peeling experiment of a viscoelastic polyvinylchloride (PVC) thin-film on a rigid substrate (glass) is carried out. The effects of peeling rate, peeling angle, film thickness, surface roughness and the interfacial adhesive on the peel-off force are considered. It is found that both the viscoelastic properties of the film and the interfacial adhesive contribute to the rate-dependent peel-off force. For a fixed peeling rate, the peel-off force decreases with the increasing peeling angle. Increasing film thickness or substrate roughness leads to an increase of the peel-off force. Viscoelastic energy release rate in the present experiment can be further predicted by adopting a recently published theoretical model. It is shown that the energy release rate increases with the increase of peeling rates or peeling angles. The results in the present paper should be helpful for understanding the adhesion mechanism of a viscoelastic thin-film.     

Nano-tribological study on a super-hydrophobic film formed on rough aluminium substrates

A novel super-hydrophobic stearic acid (STA) film with a water contact angle of 166^o was prepared by chemical adsorption on aluminum wafer coated with polyethyleneimine (PEI) film. The micro-tribological behavior of the super-hydrophobic STA monolayer was compared with that of the polished and PEI-coated Al surfaces. The effect of relative humidity on the adhesion and friction was investigated as well. It was found that the STA monolayer showed decreased friction, while the adhesive force was greatly decreased by increasing the surface roughness of the Al wafer to reduce the contact area between the atomic force microscope (AFM) tip and the sample surface to be tested. Thus the friction and adhesion of the Al wafer was effectively decreased by generating the STA monolayer, which indicated that it could be feasible and rational to prepare a surface with good adhesion resistance and lubricity by properly controlling the surface morphology and the chemical composition. Both the adhesion and friction decreased as the relative humidity was lowered from 65% to 10%, though the decrease extent became insignificant for the STA monolayer. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (50375151, 50323007, 10225209) and the Chinese Academy of Sciences (KJCX-SW-L2)     

溅射二硫化钼膜在不同润滑条件下的摩擦学性能分析

通过MoS2膜/钢、钢/钢摩擦副分别在干摩擦、油和脂润滑条件下的球-盘式摩擦学试验,对比分析了润滑条件、载荷、滑动速度对MoS2膜摩擦系数的影响.利用原子力显微镜(AFM)对膜层磨损形貌进行表征,研究润滑条件对膜层磨损寿命的影响.结果表明:在4122仪表油和FAG脂润滑下,MoS2膜在零速启动、中低速情况下的动、静摩擦系数均比MoS2干膜和钢/钢摩擦副的要低;固-液复合润滑时的MoS2膜的耐磨性均比干膜摩擦时有所降低,MoS2干膜的磨损率约为8.1×10-7mm3/(N.m),在油和脂润滑时其磨损率分别约为2.4×10-5mm3/(N.m)和5.5×10-6mm3/(N.m).     

仿生柔性表面的结构设计及吸附力试验分析

模仿昆虫脚上光滑型吸附垫表面的结构设计,选用具有黏弹性的硅胶板,分别测试了光滑、带凹槽、带凹坑试样在干的和湿的玻璃表面上的水平摩擦力和垂直吸附力.结构表明在干玻璃表面非光滑结构的接触面积比光滑的要小,具有减粘降阻的作用;而在有一层厚液体膜作媒介时,摩擦力比光滑的要大.有液体时,水平摩擦力是凹槽型的最大,垂直吸附力是凹坑型的最大.有一薄层液体时的湿吸附能力比干吸附大,且液体粘性越大吸附能力越强.这些研究为仿生爬壁机器人的足掌设计提供了有价值的参考.     

氧化剂CrO3在MoS2润滑膜中的物理化学作用

通过在ＭｏＳ２粉末中加入氧化剂ＣｒＯ３来改变摩擦过程中表面氧化物和硫化物的形成状态，以期改善ＭｏＳ２润滑膜的寿命。利用接触角测定仪对摩擦表面的相对粘着表面能进行了计算，根据能量理论初步分析了ＭｏＳ２与ＭｏＳ２＋ＣｒＯ３摩擦系数的变化；由表面膜内产物的自由能和能量磨损理论，初步探讨了摩擦过程中表面氧化物和硫化物对磨损的影响。     

Au纳米颗粒织构化表面的黏着和摩擦学行为研究

利用自组装技术在单晶硅(100)面制备了Au纳米颗粒织构化表面(nanoparticle-textured surfaces,NPTS),采用原子力显微镜(AFM)和UMT-2MT摩擦磨损试验机考察了Au纳米颗粒织构化对表面微/纳尺度黏着与摩擦性能的影响机理.结果表明:在颗粒堆积密度较低的表面,接触力学符合连续接触力学模式;在颗粒堆积密度较高的表面,形成多峰接触,有效地减少了接触面积,降低了黏着和摩擦.与光滑硅表面相比,组装时间为3.0 h的Au纳米颗粒织构化表面的黏着力降低了77%,在试验载荷为7 nN时,其摩擦力降低了42%.     

考虑接触界面材料微观结构与势能参数的滑动摩擦计算研究

根据独立振子模型的能量耗散机理,提出了在无磨损界面摩擦中,利用通用界面粘附能量函数计算滑动时接触界面势能的变化从而计算摩擦力和摩擦系数的方法,建立摩擦力和摩擦系数与金属材料表面能与微观结构参数的关系,并利用已有的实验数据进行计算.结果表明,摩擦力与金属材料的表面能基本呈线性关系,与比例参数呈线性负相关关系,与晶格常数基本无关.计算结果与粘附理论公式以及超高真空原子力显微镜试验结果吻合较好.     

45#钢表面复合润滑结构的制备及其摩擦性能研究

采用激光微加工技术在45#钢表面制备了微坑型织构,将激光表面织构化与MoS2固体润滑剂相结合在45#钢表面制备了复合润滑结构.研究了其在干摩擦条件下的摩擦磨损性能,考察了织构面密度及织构化微坑大小对其摩擦性能的影响.通过扫描电镜与能量色散谱仪对磨斑表面进行了分析.结果表明:与未织构面相比,织构面具有低而稳定的摩擦系数和高的耐磨寿命;对同一孔径织构面,随着织构密度的增加其表面摩擦系数随之减小,较适宜的织构密度为20%～35%;对同一织构面密度,当织构面密度小于20%时,较小孔径织构面的摩擦系数更低;织构面密度增至35%后,织构面摩擦系数则随孔径增大而减小;由于织构面复合润滑结构中的微坑有效地储存了润滑剂从而在摩擦过程中维持表面润滑薄膜的形成.