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.     

织构深度对不锈钢表面油润滑条件下摩擦学性能影响的试验和仿真研究

采用激光加工技术在不锈钢表面构造深度不同的沟槽型织构图案,通过UMT摩擦磨损试验机测试了不同织构深度的不锈钢表面在PAO6油润滑条件下的摩擦磨损性能,利用表面轮廓仪和扫描电镜(SEM)对摩擦前后的沟槽形貌进行表征分析,采用计算流体动力学(CFD)方法对试验进行模拟并计算,结合ANSYS Fluent软件模拟分析结果,探究了沟槽织构深度对不锈钢表面在油润滑条件下的摩擦学性能的影响机理. 研究结果表明:加工的沟槽织构及其织构深度显著影响不锈钢表面在PAO油润滑条件下的摩擦磨损行为,织构深度为10 μm的不锈钢表面获得最好的抗磨和减摩效果,与未织构表面相比,其摩擦系数与磨痕宽度降低了60%以上. 这主要是由于织构深度为10 μm的不锈钢表面在摩擦过程中,润滑油通过其收敛区域时产生了很好的楔效应,润滑油产生的升力较大,改善了该织构表面在摩擦过程的润滑状态,从而呈现很好的摩擦学性能.      

基于SSiC-M120D配副的不同表面形态构筑下磨损性能分析

采用激光加工织构化图案和热丝化学气相沉积法(CVD)的方式在无压烧结碳化硅(SSiC)表面制备了无织构金刚石薄膜(SSiC-D)和螺旋槽织构复合金刚石薄膜(SSiC-DC)试样.研究了SSiC-M120D配副在不同表面形态下的摩擦磨损性能,结合扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和拉曼光谱以及X射线衍射(XRD)分析其磨损机理.结果表明：镀金刚石薄膜使碳化硅试样摩擦表面的黏着磨损和磨粒磨损程度明显减少,试验后碳元素含量仍保持在90%以上,SSiC-D/M120D和SSiC-DC/M120D的摩擦系数显著降低,同时端面温度分别为64.3和61.2℃,较SSiC/M120D的161.2℃分别下降了60.11%和62.03%.试验后磨痕处的ID/IG仅分别为0.86和0.94,表面缺陷程度较小.采用螺旋槽织构复合金刚石薄膜配对方式的摩擦副SSiC-DC/M120D摩擦学性能最佳,微织构有利于散热和存储磨屑,可进一步减少表面黏着磨损,试验后的磨损率最低.     

聚酰胺酰亚胺/聚四氟乙烯复合涂层的制备及其摩擦学性能和耐腐蚀性能

制备了具有良好摩擦学性能和优异耐腐蚀性能的聚酰胺酰亚胺/聚四氟乙烯(PAI/PTFE)多功能复合涂层. 采用CSM摩擦磨损试验机评估了涂层的摩擦学性能,采用P4000A电化学工作站研究了PAI/PTFE复合涂层在质量分数为3.5% NaCl溶液中的抗电化学腐蚀性能. 重点研究了PTFE与PAI的固体质量比对涂层摩擦学性能和耐腐蚀性能的影响. 结果表明:适量PTFE的引入极大增强了PAI涂层的摩擦学性能和耐腐蚀性能. 特别是,当PTFE与PAI的固体质量比为0.6时,涂层的摩擦学性能最佳,摩擦系数为0.075,磨损率为3.72×10-6 mm3/(N·m). 当PTFE与PAI的固体质量比为1时,复合涂层在质量分数为3.5%的NaCl溶液中浸泡240 h后涂层的低频阻抗值∣Z∣_{0.01 Hz}高达3.83×109 Ω?cm2,仍表现出较好的耐腐蚀性能. 此外,经过240 h中性盐雾试验,复合涂层表面没有出现起泡、生锈等现象. 复合涂层具有如此优异的摩擦学性能和耐腐蚀性能归因于PTFE优异的润滑性能以及涂层对腐蚀介质阻隔性能的增强.      

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）.     

薄膜/涂层的摩擦学设计及其研究进展

介绍了近年来有机分子自组装薄膜(SAMs)、物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)类金刚石薄膜(DLC)、液相法制备类金刚石薄膜、功能梯度薄膜以及绿色环保电化学沉积镀层的制备及其摩擦学研究进展,讨论了薄膜/涂层的制备方法和影响薄膜/涂层结构及其摩擦学性能的各种因素,评述了几种具代表性的薄膜/涂层摩擦磨损机理,分析并指出了SAMs、DLC、梯度薄膜和电镀镀层的摩擦学研究方向.     

织构化表面NbSe2涂层的真空载流摩擦学行为

针对航天器滑动电接触部件特殊的真空载流服役要求,利用建立的真空载流摩擦试验平台,探索铜基材织构化表面喷涂NbSe₂涂层作为空间新型导电润滑材料的可能性.研究条状和网状不同织构以及各自在不同织构密度条件下喷涂NbSe₂涂层的真空载流摩擦学性能和影响作用规律;对比现役电镀金涂层,探讨其在真空载流条件下摩擦学和电接触行为优势.结果表明：网格状较条状织构表面喷涂NbSe₂涂层的载流摩擦学性能更好,而且随织构密度的增加,减摩耐磨性能得到提高.织构间距为200μm的网格状织构表面喷涂的NbSe₂涂层展现出最佳的真空载流摩擦学性能.相较于现役的金电镀层,其在真空载流摩擦条件下展现出更加优异的摩擦学和电接触性能,摩擦系数由0.25降至0.05,接触电压与现役材料处于同一量级,电噪音波动明显改善,由0.09V降至0.04V.     

超微细磷酸锰转化涂层摩擦磨损性能研究

采用新型磷化处理工艺在20Cr钢表面制备了超微细磷酸锰转化涂层.浸油润滑条件下,采用MMW-1P型立式万能摩擦磨损试验机评价了转化涂层的摩擦学性能,并用SEM和EDX表征转化涂层表面及磨损表面的形貌和成分,用XRD分析转化涂层的相结构.结果表明,钢表面超微细磷酸锰转化涂层由Mn3(PO4)2·3H2O组成,同时存在少量Mn3(PO4)12·10H2O和(Fe,Mn)2(PO4)(OH);磷化晶粒的尺寸约为0.2～0.5μm;涂层表面孔隙的储油特性有利于改善其摩擦学性能;浸油润滑条件下,钢表面的超微细磷酸锰转化涂层具有明显的减摩与耐磨效果.     

后热处理对304不锈钢激光熔覆Ni60/h-BN自润滑耐磨复合涂层组织和摩擦学性能的影响

采用激光熔覆技术在304不锈钢表面制备了Ni60/h-BN自润滑耐磨复合涂层,对涂层在600℃(去应力退火)进行1 h和2 h热处理,分析了热处理前后复合涂层的显微组织、硬度和摩擦学性能的变化.结果表明:三种涂层中,热处理1 h后涂层的显微硬度最大(最高值HV0.5765.0),在10 N干摩擦条件下,其摩擦系数为0.39,磨损率为3.37×10~(–6)mm/(Nm),该涂层表现出最好的耐磨减摩性能,磨损机理主要表现为轻微的磨粒磨损;未热处理的涂层摩擦系数为0.53,磨损率为6.39×10~(–6) mm/(Nm),磨损机理主要表现为脆性断裂、黏着磨损和磨粒磨损;热处理2 h后的涂层摩擦系数为0.39,磨损率为5.29×10~(–6)mm/(Nm),磨损机理主要表现为磨粒磨损和轻微黏着磨损.在本文试验条件下,后热处理1 h可有效提高激光熔覆自润滑耐磨涂层的硬度并改善其耐磨减摩性能.     

基于电泳法的石墨烯涂层制备与摩擦学性能研究

采用电泳沉积方法在硅基体上制备石墨烯涂层,研究了不同电压对石墨烯涂层表面形貌、微观结构与摩擦学性能的影响,并在往复式球盘摩擦磨损试验机上研究了石墨烯涂层在不同载荷(1~9 N)下的摩擦学性能,采用扫描电子显微镜、能谱仪、光学显微镜、拉曼光谱仪和X射线光电子能谱仪分析石墨烯涂层的表面形貌、结构特征、磨损表面形貌及石墨烯结构成分的变化.结果表明:石墨烯涂层可将硅基体的表面摩擦系数从0.6降至0.1;在低压(15~60 V)条件下电泳制备的石墨烯涂层具有更加致密的微观结构,表面承载能力强,减摩性能优异.本研究中揭示了基于电泳法制备的石墨烯涂层作为固体润滑涂层应用的可行性.     

表面织构与离子液体润滑组合体系的摩擦学性能研究

利用激光加工技术在钛合金表面构建不同尺寸的圆形微坑织构图案. 利用MS-T3001型试验机测试了圆形微坑织构、离子液体[1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲基磺酰胺盐和十四烷基三丁基季鏻双(2-乙基己基)磷酸盐]及二者构成润滑组合的摩擦磨损性能. 利用金相显微镜观察圆形微坑织构的尺寸和表面形貌,利用扫描电镜分析摩擦过程前后织构化表面的形貌,采用ANSYS Fluent软件模拟分析表面织构参数和离子液体理化性质对摩擦学性能的影响. 结果表明,表面织构、离子液体、表面织构与离子液体的复合体系均展示了良好的减摩抗磨性能. 优化表面织构与离子液体的组合能够提升润滑体系的摩擦学性能. 表面织构与离子液体组成的复合润滑体系,摩擦系数随圆形微坑织构直径的增大而减小,归因于圆形微坑织构能够储存磨屑和离子液体并形成稳定的离子液体润滑薄膜,黏度较大的离子液体在收敛区间产生楔形效应,导致对上摩擦副升力增大.      

Cu663合金表面石墨-铜三维复合润滑层的构筑与摩擦学性能研究

借助激光微加工技术,将柔性石墨纸加工成规则排列的多孔结构,利用多孔柔性石墨纸在Cu663合金表面构筑石墨-铜三维复合润滑层结构. 分别考察了表面石墨-铜三维复合润滑层在干摩擦和海水腐蚀环境下的摩擦学性能,并揭示了摩擦磨损机理和腐蚀机理. 结果表明:该三维复合润滑层结构具有优异的自润滑性能,且通过改变纹理图案和尺寸参数可有效调控其摩擦学性能. 当Cu663合金表面三维复合润滑层石墨表面密度为50%时,干摩擦条件下的摩擦系数和磨损率分别为0.14 ± 0.01和(5.10 ± 1.33) ×10?6 mm3/(Nm),相较于无润滑层的Cu663样品摩擦系数0.53和磨损率(2.97 ± 0.57) ×10?4 mm3/(Nm)分别降低73%和2个数量级. 在海水腐蚀环境中,表面石墨-铜三维复合润滑层的铜与石墨纸界面产生微弱电极,对三维复合润滑层的腐蚀摩擦性能起到至关重要的作用.      

钛合金表面自润滑复合耐磨结构的制备及其摩擦性能研究

本文中采用激光微加工法在TC4钛合金表面制备了不同形貌与分布密度的微观织构,将表面织构、热氧化膜与PTFE润滑薄膜相复合制备了自润滑复合耐磨结构,同时考察了滑动条件下织构形貌及织构密度对这一复合结构摩擦磨损性能的影响.结果表明：与未织构面的润滑薄膜相比,织构面薄膜的结合力明显增大,表面织构与润滑薄膜的结合显著增强了材料的减摩抗磨性能.在最优的织构密度下,含有薄膜的织构化钛合金表面的磨损率可降低至1.5×10^-6 mm³/(N·m),较未织构面润滑薄膜的磨损率降低了99.3%.而将经热氧化的织构表面与润滑薄膜的结合则进一步提升了材料的耐磨性,热氧化织构面润滑薄膜的磨损率最低可达8.0×10^-7 mm³/(N·m),与未热氧化的织构面润滑薄膜相比,磨损率降低了46.1%.在相同的织构间距条件下,线型热氧化织构面显示出低而稳定的摩擦系数与极低的磨损量,这主要得益于高密度微织构对润滑介质的有效补充以及高硬度热氧化膜的耐磨性起到了协同减摩抗磨的作用.     

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.     

葫芦形微凹坑对不锈钢表面摩擦学性能的影响

本文中利用皮秒激光系统对不锈钢表面进行织构化处理,通过Fluent有限元软件和UMT-2摩擦磨损试验机分析了非规则对称葫芦形织构表面的摩擦学性能,并与具有规则对称性的圆凹坑织构试样及光滑织构试样进行对比,同时利用S-3400 N扫描电镜观察试样表面的磨痕形貌.结果表明:润滑状态下葫芦形正方向织构试样的摩擦系数要明显低于圆凹坑织构试样及无织构光滑试样,葫芦形反方向织构试样的摩擦系数与圆凹坑织构试样相近.这主要是由于织构形状及润滑液流动方向对织构试样产生流体动压效应的影响较大.因此,在润滑液流动方向上,扩大织构自身形状的收敛区间可以强化织构的流体动压效应,这一结论将为进一步优化织构形状提供有力参考.     

硬质合金表面织构液相辅助激光制备及摩擦性能

采用激光加工技术在空气介质与辅助液相(无水乙醇与双氧水体积比为50:1)下对YT15硬质合金表面进行了交叉扫描织构加工,制备出了两组织构试样. 借助Quanta 200扫描电子显微镜及能谱对织构硬质合金表面形貌与元素含量进行了测量,并用SDC-100接触角测量仪表征了润湿性,最后在MWF-500往复式摩擦磨损试验机上进行了干摩擦、润滑油及润滑油与MoS₂颗粒润滑的摩擦和磨损对比试验. 研究结果表明:相比空气介质激光加工试样,液相辅助激光加工表面的微凹坑分布更加均匀,无明显的氧化及熔融物重铸现象,表面接触角最小(55°);三种工况下液相辅助激光加工表面织构的摩擦系数最小,磨损量有一定改善. 分析表明:辅助液体对激光加工表面起到了冷却及保护作用,固-液界面快速产生的气泡散射了激光光束,使激光光束的作用区域发生干涉,同时携带出加工熔融物. 因此,润滑介质更容易在界面间渗入及铺展,改善了界面摩擦学特性.      

基于表面织构技术改善摩擦学性能的研究进展

利用表面织构技术改善材料表面摩擦学性能已被大量应用于许多工程领域. 然而,通过表面织构技术提高材料表面的减摩耐磨性能的确切机理仍不清楚,因此,研究人员进行了大量表面织构几何特征和工况条件的优化来研究表面织构技术的机理及应用范围. 本文作者回顾了近年来表面织构技术在控制摩擦方面的主要研究成果,从不同润滑条件下的减摩机制与理论模型展开讨论,重点从表面织构的几何特征和实际工况条件两个方面来评述改善材料表面摩擦学性能的最新进展,其中,几何特征包括表面织构的纹理形状、直径、深度、面密度和排列方式;实际工况条件取决于摩擦形式及操作条件,根据摩擦系数、磨损量、承载能力、阻力系数及升力系数等体现摩擦学性能的参数,对改善表面摩擦学性能的参数和条件进行分析和总结. 深入研究精确的理论模型和普适性的模拟方法并开发改善摩擦学性能的参数优化方法是未来的研究重点和方向.