界面调控对类金刚石碳基薄膜在甲烷气氛下摩擦学性能的影响

在甲烷气氛下,利用不同材质摩擦副与非晶碳(a-C)基薄膜构成不同的自配副与非自配副摩擦体系,构建出不同的滑动界面,通过研究非晶碳(a-C)基薄膜与不同摩擦副对摩时的摩擦学行为,分析探索滑动界面对体系摩擦学行为的作用机理. 结果表明:摩擦副对a-C薄膜的摩擦学行为影响较为明显,主要通过影响滑动界面碳悬键的再杂化形式来引起体系摩擦学行为差异;甲烷解离基团对碳悬键的钝化能够有效降低体系摩擦系数,但过多的钝化形成多聚a-C:H,对体系造成不利影响. 研究结果为烃类下提高DLC薄膜的减磨作用提供参考.      

C2H2/Ar流量比对a-C:H涂层结构及摩擦学性能的影响

a-C:H涂层因具有高硬度、低摩擦系数及良好的化学惰性等性能,使其作为表面防护材料具有广泛的应用前景,而涂层中的H含量和sp2C/sp3C比值是影响其力学及摩擦学性能的重要因素. 本研究中采用非平衡磁控溅射技术在9Cr18钢表面制备了a-C:H涂层,对比研究了前驱体组成对不同结构含H碳膜的氢含量、微观结构、力学性能和摩擦学性能的影响. 结果表明:增大C₂H₂/Ar流量比,涂层的生长率及H含量逐渐增大,但致密性降低. 由于涂层中C-H键及致密性的变化,a-C:H涂层的硬度和弹性模量随C₂H₂/Ar流量比的增大而逐渐减小,但结合强度却先增大后降低. 当C₂H₂/Ar流量比低于4:3时,涂层表现出良好的减摩耐磨性能,当C₂H₂/Ar流量比高于4:3时,涂层的摩擦系数和磨损率出现了急增的现象. 总体而言,a-C:H涂层的摩擦系数和磨损率随C₂H₂/Ar流量比的增加呈现先增大后降低的趋势. 由于H原子的钝化作用及涂层力学性能的变化,使a-C:H涂层的磨损机制由磨粒磨损和黏着磨损变为磨粒磨损. 当C₂H₂/Ar流量比为1:1时,a-C:H涂层具有最低的摩擦系数(约为0.1)和磨损率[8.0×10?8 mm3/(N·m)],表现出最佳的力学及摩擦学性能,这种性能的变化与涂层中的H含量和sp2C/sp3C比密切相关.      

含氢无定型碳摩擦转移膜结构演化规律研究

利用中频磁控溅射系统制备a-C:H润滑薄膜,并使用球-盘摩擦机考察了空气和干燥氮气(N₂)氛围中a-C:H薄膜摩擦行为的差异,讨论了随着摩擦时间增加,薄膜上磨痕及Al₂O₃对偶球上转移膜的结构变化对摩擦行为的影响. 试验结果显示:a-C:H薄膜在干燥氮气中摩擦具有比在空气中更低的摩擦系数和更长的磨损寿命. 微观结构分析表明,转移膜可以起到降低摩擦的作用,在干燥氮气中,随着摩擦进行,Al₂O₃对偶球上逐渐形成具有典型DLC特征的碳转移膜并稳定地存在,这是摩擦性能进一步提高的原因. 此外,在干燥氮气中摩擦,磨痕表面和对偶球上转移膜表面结构均趋于“石墨化”. 上述二者的共同作用使得a-C:H薄膜在N₂环境下比在空气中更低的摩擦磨损.      

转移膜的形成对含氢碳膜超低摩擦性能的影响

含氢非晶碳膜在惰性气氛下展现了超低摩擦性能,摩擦系数可达到10~(–3)数量级.本文中通过试验设计验证了转移膜的形成是碳膜超低摩擦性能获得的必要条件.采用含氢非晶碳膜(a-C:H)与钢作为摩擦配副,球盘接触旋转运动,更换接触方式:一种是钢球与镀a-C:H薄膜的钢平板对摩,另一种是镀a-C:H薄膜钢球与钢平板对摩.保持配副材料不变,利用接触方式的差异,来改变转移膜形成的难易程度.第一种方式下,a-C:H可以转移到对偶形成均匀的转移膜,具有超低摩擦性能;在第二种方式下,a-C:H不能转移到对偶形成转移膜,摩擦系数高.而该转移膜是一种含氢的,以sp~2杂化为主的碳结构.氢能够参与钝化碳悬键,从而保证低化学作用活性,sp~2平面分子结构可以具有较低的剪切强度.因此,转移膜的形成和氢的钝化作用对a-C:H薄膜超低摩擦机理均具有重要的贡献.     

乳化液环境中WC/a-C:H薄膜摩擦行为的研究

采用等离子体增强化学气相沉积复合磁控溅射法制备了WC/a-C:H薄膜.使用X射线衍射仪、扫描电镜、X射线光电子能谱、拉曼光谱和透射电镜表征了薄膜结构和组成,并使用球盘往复摩擦试验机测试薄膜在不同体系乳化液环境中的摩擦学性能.结果表明:WC/a-C:H薄膜具有典型的类金刚石结构,WC以β-WC1-x相的形式存在. WC在碳基薄膜中的掺杂使WC/a-C:H薄膜的硬度和弹性模量分别变化至11和140 GPa.油膜、水膜与转移膜的协同润滑效应能够提升其耐磨能力.适宜的浓度配比和薄膜表面石墨化程度是影响摩擦的关键因素.     

磁控溅射Al靶功率对类金刚石薄膜的结构和摩擦学性能影响

本文采用中频磁控溅射金属Al靶,以CH4为反应气体,通过调整Al靶溅射功率,在p(100)单晶硅片和不锈钢基底上成功制备出不同Al含量的Al/a-C:H纳米复合薄膜。并利用HR-TEM、XPS、纳米压痕仪和摩擦磨损试验机等手段分析和研究了Al/a-C:H薄膜的结构、机械及摩擦学性能。结果表明：金属Al以纳米晶颗粒形式镶嵌在非晶碳网络中,使得所制备Al/a-C:H薄膜呈现出典型的纳米晶/非晶复合结构;同时,Al掺杂促进薄膜中sp2杂化碳形成,且有效地释放残余内应力。Al靶溅射功率为800 W时所制备的Al/a-C:H薄膜具有结构致密、内应力低、硬度高的特性;在大气环境中,该薄膜与Si3N4陶瓷球干摩擦时显示出优越的摩擦学性能,其摩擦系数约为0.055,磨损率约为2.9×10-16 m3/(N?m)。     

纳米金刚石薄膜结构相变及摩擦性能的研究

论文用第一性原理分子动力学模拟研究了纳米金刚石薄膜的结构相变和表面重构,以及金刚石薄膜(110)表面不同方向上表面形态和抛光残余的本质.研究发现,纳米金刚石的表面碳团簇通过断开(111)面的σ键,形成具有碳六元环结构的石墨碎片;内部原子sp3杂化向sp2杂化转化的发生是从(111)面上成对C原子向石墨相转化时形成π键的过程中获得了能量,驱动石墨的转变由表层向心部逐渐进行.转变过程中存在一种洋葱状富勒烯和金刚石结构共存的过渡相—Bucky-diamond,表面悬空键的消除和表层的富勒烯外壳最大限度地降低了表面能和系统总能量,Bucky-Diamond结构稳定存在.sp2杂化碳的缓冲作用对薄膜中残余应力有较大的影响.     

nc-TiC/a-C纳米复合多层薄膜的制备及其摩擦学性能的研究

采用磁过滤阴极弧等离子体沉积技术,在单晶硅片上制备了不同亚层厚度和亚层弹性模量匹配的nc-Ti C/a-C纳米复合多层薄膜,采用X射线粉末衍射仪、扫描电子显微镜和透射电子显微镜对其微观结构进行表征,利用激光扫描仪对其内部应力进行测试,采用微摩擦磨损试验机表征薄膜的摩擦磨损性能,以考察多层结构设计对于薄膜机械性能的影响.结果表明:多层薄膜相对于单层薄膜可以有效降低膜层内应力,同时薄膜的减摩抗磨性能也得到了提高.亚层厚度为40 nm和相邻亚层弹性模量差距较小的nc-Ti C/a-C纳米复合多层薄膜的抗磨性能最佳.     

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.     

液氮激冷对含氢非晶碳膜性能的影响

采用等离子增强化学气相沉积系统制备了含氢非晶碳膜. 加热到相应温度(200、250、300、350和400 ℃)后,对薄膜进行液氮激冷处理,并研究其结构、机械及摩擦性能的变化. 结果表明:薄膜硬度在200~300 ℃温度下液氮激冷后,其硬度随热处理温度增加,C-C sp2键逐渐增加;在350~400 ℃温度下液氮激冷处理后,薄膜的硬度逐渐减小,薄膜呈石墨化趋势;而其弹性恢复在整个处理过程(200~400 ℃)中随温度升高持续增大,和C-C sp2键变化趋势一致. 液氮激冷处理后,含氢非晶碳膜的摩擦系数及磨损量均得到改善,在300 ℃激冷处理的含氢非晶碳膜具备最低的摩擦系数及磨损量.      

调制比对WSx/a-C多层膜微观组织及摩擦学性能的影响

采用磁控溅射交替溅射WS2和石墨靶,在200℃的Si基体上制备了不同调制比的WS_x/a-C多层膜(调制周期约为20 nm).利用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子谱(XPS)等手段表征了多层膜的微观结构;采用纳米压痕仪、薄膜应力测试仪、涂层附着力划痕仪和球盘式摩擦磨损试验机测试多层膜的机械性能及大气中的的摩擦磨损性能.结果表明:WS_x/a-C多层膜表面平整、结构致密,S/W比在0.92~0.97范围内波动,WS_x子层以微晶的形式存在,WS_x/a-C相界面处形成了WC相.随着调制比的增加,多层膜的硬度由7.8 GPa升高至9.0GPa,膜内压应力先减小后增大,结合力单调减小,摩擦系数由0.18增至0.29,磨损率迅速升高.调制比为1∶39的多层膜的摩擦学性能最佳,其磨损率约为6.1×10~(–15) m~3/(N·m).     

溅射沉积WSx/Ni/a-C/Ni多层膜的微结构及大气环境摩擦学性能

采用磁控溅射技术在硅基体上交替沉积WS₂、Ni及非晶碳(a-C)层制备出不同Ni层厚度的WS_x/Ni/a-C/Ni多层膜. 利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、拉曼光谱仪、X射线光电子能谱仪等研究了多层膜的成分及微观结构;通过纳米压痕仪、划痕仪和球盘式摩擦磨损试验机等评价了薄膜的力学及大气环境中的摩擦学性能. 结果表明:随着Ni层厚度的增加,WS_x/Ni/a-C/Ni多层膜的致密度下降,n_s/n_w值(S与W原子百分数之比)由0.84降至0.73,WS_x层以微晶或非晶的形式存在. 多层膜的硬度和磨损率均随Ni层厚度的增加先降低后升高,但摩擦系数由0.22升至0.38,结合力先增大后减小. Ni层厚度为6 nm的多层膜的硬度可达13.4 GPa,抗氧化性能和耐磨性最优,磨损率仅为9.47×10–14 m3/(Nm).      

MoS2/a-C复合薄膜在高/低湿度环境下的摩擦学性能研究

采用磁控溅射方法制备了MoS_2薄膜与不同碳含量的MoS_2/a-C复合薄膜,利用XRD、SEM、Raman光谱仪、纳米压痕仪和CSM摩擦试验机等分析了复合薄膜的结构、力学和摩擦学性能.结果表明:MoS_2薄膜为疏松的柱状结构,MoS_2/a-C复合薄膜为无定形的致密结构,硬度较高.低湿环境下MoS_2薄膜与MoS_2/a-C复合薄膜的摩擦性能差别不明显;高湿环境下薄膜的摩擦系数和磨损率均有所升高,其中MoS_2薄膜与低碳含量的MoS_2/a-C复合薄膜氧化严重,而高碳含量的MoS_2/a-C复合薄膜的摩擦学性能稳定,对湿度交替变换的环境适应性更佳.这是由于碳元素掺杂改善复合薄膜的微观结构,提高复合薄膜的抗氧化性和力学性能.     

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.     

γ射线辐照对机械密封用烧结材料性能的影响

使用不同剂量γ射线对拟用于核电领域机械密封的3种热压烧结材料进行辐照处理,测试了不同辐照条件下材料的热物理性能和力学性能. 使用Plint TE-92摩擦磨损试验机模拟机械密封实际工况进行盘-盘摩擦试验,测试了相同材料自配副的摩擦磨损性能,并采用扫描电子显微镜(SEM)和ZYGO白光干涉仪等表征分析方法,研究了辐照条件对材料微观组织形貌和摩擦磨损机理的影响. 结果表明:本文中γ射线辐照剂量对烧结材料的组织形貌和物理、力学性能影响较小. 在水润滑条件下,烧结材料自配副的摩擦系数为0.04~0.06,没有出现明显的磨损情况,辐照对材料的摩擦磨损性能没有明显影响.