纳米GeSb2Te4薄膜在大气环境中的摩擦性能研究

采用摩擦力显微镜考察了磁控溅射纳米GeSb2Te4薄膜在大气环境中的微观摩擦性能,利用JKRS理论分析了针尖同GeSb2Te4薄膜接触时的粘附力和表面能之间的关系.结果表明:当湿度较大时,粘附力较大;而当湿度较小时,粘附力较小;当针尖表面能一定时,粘附力的微小变化可以导致GeSb2Te4薄膜的表面能产生较明显变化;随着扫描范围逐渐减小,摩擦力变化趋于稳定;不同扫描速度下法向力和摩擦力保持较好线性关系,但不同扫描速度下的平均摩擦力随扫描速率变化而呈现非线性变化;为了更好地分析探针和样品表面的微观摩擦机制,宜选择扫描范围为0.1～0.5μm或更小.     

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.     

影响分子沉积膜纳米摩擦特性的几个因素

利用原子力显微镜探讨了表面电荷及分子端基对分子沉积膜纳米摩擦特性的影响，并考察了表面形貌在不同扫描方向和法向高度上对摩擦力的影响．结果表明：对Si3N4针尖而言，表面净电荷对摩擦特性有一定的影响，不同类型的表面电荷对摩擦力和摩擦系数的影响不同，正电荷影响相对较大；在较小载荷和粘附力的条件下，针尖在表面上滑动时所受的摩擦作用同分子端基有关；单层CuTsPc分子沉积膜表面形貌的取向对摩擦力影响不大，分子沉积膜的表面高度同摩擦力，即时测量值并不存在对应关系，摩擦力受表面形貌的影响较小．     

纳尺度下类金刚石(DLC)薄膜摩擦性能研究

类金刚石薄膜(DLC)作为保护涂层在磁存储系统和微/纳米机电系统(M/NEMS)等方面的应用十分广泛,但其在实际应用中存在着摩擦副的设计问题,本文中采用物理气相沉积(PVD)技术以金属Cr作为过渡层在硅基底上制备类金刚石薄膜,利用原子力显微镜,对类金刚石薄膜的表面特性进行表征,并研究针尖的力学性能对类金刚石薄膜摩擦学性能的影响.结果表明纳尺度下硅针尖和氮化硅针尖测得的摩擦力与法向载荷之间均呈线性关系,这说明针尖材料对类金刚石薄膜的摩擦性能没有影响.Si针尖的SEM图像表明:高载荷下,Si/DLC摩擦副的摩擦系数增加是由于Si针尖的磨损;而类金刚石薄膜的AFM图像表明:Si3N4/DLC摩擦副的摩擦系数增加是由于类金刚石薄膜表面的粗糙峰在高载条件下发生了塑性变形,DMT理论计算验证了我们的实验结果.因此,本研究对于类金刚石薄膜在实际应用中摩擦副的设计具有指导意义.     

相对湿度对材料表面粘附力影响的研究

利用自制微摩擦及粘附力测试装置考察了在微载荷条件下,相对湿度对Si(100)材料表面粘附力的影响,分析了在大气环境中水分子的毛细作用力和范德华力对粘附力的贡献,并以BET吸附模型为基础推导出考虑湿度影响的粘附力计算公式.结果表明:在微载荷条件下,相对湿度对材料表面的粘附力影响十分显著,随着相对湿度升高粘附力增加,特别是相对湿度RH在40%～80%之间时,粘附力变化最为显著;当相对湿度RH小于20%时,范德华力大于水的毛细作用力且占主导地位;当相对湿度RH大于20%后,水分子的毛细作用力不断增加,同时范德华力因水膜的存在而降低,水的毛细作用力占主导地位.     

非晶含氢碳薄膜摩擦与抗擦伤性能的实验研究

用射频等离子体增强化学气相沉积法在钛合金表面制备了非晶含氢碳（a-C:H)薄膜,利用原小孩子显微镜、纳米力学探针、划痕仪以及滑动摩擦和微动摩擦试验仪器等研究了其表面形貌、粗糙度、硬度和摩擦性能,分析了薄膜的表面粗糙度、硬度及载荷对摩擦系数的影响。结果表明：随着薄膜厚度的增加,硬度略有提高,划痕临界载荷明显提高,而表面粗糙度先增加后降低,最后趋于稳定;室温空气中的滑动摩擦系数随硬度的增大以及表面粗糙度和载荷的减小而降低;在微动摩擦试验中,随相对湿度增加,摩擦系数降低,这有利于其在体液环境中的应用;薄膜具有良好的耐磨性能,经5000次摩擦后磨损很小。     

载荷和电压对纯铜滚动载流摩擦学性能的影响

基于FTM-CF100型滚动载流摩擦试验机,研究了纯铜滚动载流摩擦副在不同载荷和外加电压下的性能变化规律,并利用扫描电子显微镜、白光干涉三维形貌仪等对摩擦表面进行微观分析,揭示了稳态运行时性能变化的机理.研究表明:增加载荷和增加电压均促进粗糙接触表面发生形变,真实接触面积的增加降低了接触电阻,摩擦区域粗糙度的改善提高了动态摩擦系数和动态电阻的稳定性.但电阻热促进材料黏着,因而同一载荷下载流摩擦系数高于单纯机械摩擦系数,且随外加电压的增加持续增加.     

原子尺度摩擦行为的分子动力学模拟

应用大规模分子动力学方法,模拟了具有原子级光滑和原子级粗糙形貌的刚性球形探头与弹性平面基体的干摩擦行为,研究了无/有粘附条件下的载荷与摩擦力、载荷与真实接触面积,以及摩擦力与真实接触面积之间的关系,对纳米尺度下的摩擦行为规律进行了分析。几种系统的真实接触面积－载荷关系都与相应的连续力学接触模型定性的一致,它们分别是Hertz光滑表面接触模型、Greenwood-Williamson粗糙表面接触模型和Maugis-Dugdale粘着接触模型。无论是由光滑表面还是粗糙表面构成的摩擦系统,在无粘附条件下摩擦力与载荷成正比,而摩擦力与真实接触面积之间没有一个简单的关系;在粘附条件下摩擦力与真实接触面积成正比,而摩擦力与载荷之间表现为Maugis-Dugdale模型预测的亚线性关系。我们的研究表明,当表面作用从无粘附到粘附时,控制摩擦力的决定因素从载荷转变为接触面积,摩擦行为从载荷控制摩擦转变为粘着控制摩擦。     

炭纤维增强铜基复合材料摩擦磨损性能同其磨损表面形貌相关性研究

考察了炭纤维增强铜基复合材料的摩擦磨损性能,利用扫描电子显微镜、电子探针X射线显微分析仪和表面轮廓测试仪等观察分析了复合材料磨损表面形貌和元素组成.结果表明,复合材料摩擦磨损性能及其磨损表面形貌与粗糙度同载荷及滑动速度密切相关,当载荷和速度小于某一临界值时,复合材料同钢对摩时的摩擦系数和磨损率均较小,而当载荷和速度超过临界值时,复合材料的摩擦系数和磨损率均大幅增大,复合材料磨损表面形成了由C、Cu和Fe等元素组成的固体润滑和防护薄膜,使得其在干摩擦条件下同钢对摩时的摩擦系数和磨损率均较低.     

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.     

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     

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。     

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)     

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。     

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．     

不同湿度条件下N、Si共掺杂DLC膜的摩擦学性能研究

采用射频化学气相法沉积了氮、硅共掺杂类金刚石碳膜(N-Si-DLC).用X射线光电子能谱仪、拉曼光谱仪、表面形貌仪及扫描电子显微镜等对薄膜结构进行了表征,用球-盘往复摩擦试验机考察了不同湿度(RH为15%,45%和75%)空气中薄膜与316L不锈钢球配副的摩擦学性能.结果表明:与Si-DLC相比,N-Si-DLC膜内sp~2C成分含量较高,N主要以C=N、C≡N、Si-N键形式存在于膜内;膜的内应力低,硬度和杨氏模量较低;含N量少的N-Si-DLC膜显示出更低的摩擦与磨损,其摩擦学性能对湿度的变化表现出较低的敏感性.     

1—甲基—3—西基咪唑六氟磷酸盐离子液的摩擦学性能

合成了1－甲基－3－西基咪唑六氟磷酸盐离子液体，采用核磁共振氢谱仪和傅立叶转换红外光谱仪表征了其结构；测定了该化合物的粘度、倾点和密度，在SRV摩擦磨损试验机上评价了其作为润滑剂对钢／钢体系的润滑作用；采用X射线光电子能谱仪和扫描电子显微镜分析了钢磨损表面形貌及化学状态，以考察其润滑机理。结果表明：1－甲基－3－丁基咪唑六氟磷酸盐离子液低温流动性能好，作为润滑剂对钢／钢摩擦副具有优异的润滑作用，摩擦系数极低，且抗磨性能优良。这是由于该离子液体在钢磨损表面形成含FePO4和FeF2等物质的边界润滑膜，从而有效地提高了摩损副的承载能力和抗磨性能。     

钛硅多元掺杂类金刚石薄膜在不同气氛环境下的摩擦学性能研究

采用中频磁控溅射技术在单晶硅表面制备了钛硅多元掺杂的含氢类金刚石薄膜. 在球-盘摩擦试验机上考察了不同气氛环境对薄膜摩擦学性能的影响. 利用扫描电子显微电镜和拉曼光谱分析了磨损表面形貌和转移层结构, 探讨了薄膜的摩擦磨损机理. 结果表明:薄膜在真空和氮气环境下摩擦系数较小、磨损率低,表现为磨粒磨损;在氧气和高湿度大气环境下摩擦系数较大、磨损率高,表现为黏着磨损;在低湿度空气环境下薄膜摩擦系数最低,表现为磨粒磨损和黏着磨损混合磨损机理;转移层发生摩擦诱导石墨化和聚乙炔链C=C键双氢化两种摩擦化学过程.     

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.     

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.