工程导向固体超滑(超低摩擦)研究进展

实现“零”摩擦磨损是润滑的终极目标,是保障机械系统高精度、高可靠、长寿命稳定运行和促进节能减排的关键之一.超滑,工程上称之为“超低摩擦”,从理论模拟计算开始,人们对超滑的认识和理解日益加深,但工程导向的固体超滑实现是极具挑战的技术问题.目前能够实现工程尺度固体超滑的材料候选者主要有有序二维材料和碳薄膜.本文作者从原理、试验到工程应用分别综述了这些材料的研究发展现状,并总结了工程导向超滑存在的问题,并对其未来的发展方向做出展望.     

非晶碳基薄膜材料水环境摩擦学研究进展

海洋资源的开发利用和人们对环保意识的提高促进了水润滑体系的快速发展.碳基薄膜材料以其高硬度、良好的化学稳定性、生物相容性和优异的减磨耐磨性能成为水润滑体系的最佳候选材料之一.文中综述了近年来碳基薄膜在水基润滑介质中的摩擦学性能及其润滑机理研究进展,并对碳基薄膜在水润滑体系中的潜在应用进行了展望,指出碳基薄膜将向着适应复杂多变环境的智能化及长寿命的方向发展.     

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.      

马氏体钢表面磁控溅射类金刚石薄膜滚动接触疲劳失效机理

采用磁控溅射技术在马氏体钢基体表面制备类金刚石(DLC)薄膜,应用扫描电镜、Raman光谱仪和划痕测试仪等对薄膜进行表征. 基于对失效表面及截面微观特征的详细分析,研究了DLC薄膜在接触疲劳载荷下的失效特征和机理. 结果表明:DLC薄膜试样的滚动接触疲劳(RCF)寿命比基体的寿命显著提高,且薄膜磨损后试样的剩余寿命仍比原基体寿命长. 薄膜厚度3 μm,处于接触最大应力分布的15 μm范围内. DLC薄膜是从基体表面粗糙峰处产生微裂纹进而导致薄膜剥落,基体材料裸露,最终试样失效.      

热处理对类金刚石碳薄膜力学和摩擦性能的影响

利用直流磁分离及脉冲阴极双激发源等离子弧薄膜沉积装置制备了含Ti底层和无Ti底层的类金刚石碳薄膜(DLC);采用纳米硬度计、原子力显微镜和X射线光电子能谱仪分析了薄膜的力学性能和结构;采用УСК-1型球-盘滑动摩擦磨损试验机考察了薄膜的摩擦性能.结果表明,同无Ti底层的DLC薄膜相比,含Ti底层的DLC薄膜的硬度和弹性模量较低;含Ti底层的DLC薄膜经真空400℃退火后表面层中存在TiO2,内部存在TiC;而无Ti底层的DLC薄膜经真空500℃退火处理后硬度、弹性模量和表面形貌几乎保持不变;无Ti底层的DLC薄膜经空气中500℃退火后摩擦系数明显降低,这是由于DLC薄膜在空气中热处理时更易发生石墨化所致.     

界面调控对类金刚石碳基薄膜/铜摩擦副摩擦学行为的影响

无氢DLC/金属铜摩擦副体系摩擦系数高且不易调控,调整DLC/金属铜摩擦界面从而降低其摩擦系数是亟待解决的问题. 本研究中通过制备含氢与无氢类金刚石碳基薄膜,采用试验分析与模拟计算结合的方法研究了不同氢含量碳基薄膜与铜配副的摩擦学特性并讨论了氢原子在摩擦界面对改善摩擦学性能所起的作用. 结果表明:摩擦界面的结构特性对于类金刚石碳基薄膜/铜配副体系摩擦学性能有非常重要的影响,氢原子可以通过减小摩擦副之间的黏着从而起到调节摩擦界面的作用. 通过向DLC中掺杂氢等钝化元素可有效调控界面处的相互作用从而调控体系摩擦学性能. 本研究方法为降低DLC/铜摩擦副体系摩擦系数提供参考.      

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。     

聚合物热解合成类金刚石薄膜的结构及摩擦学性能研究

合成了一种新型的碳基阶梯聚合物－聚碳苯，将其涂于氮化硅陶瓷上，在常压、惰性气氛条件下经１０００￣１２００℃热处理，在氮化硅底材上合成出类金刚石薄膜。利用扫描电子显微镜、喇曼光谱和Ｘ射线衍射等技术对类金刚石薄膜的表面形貌和结构进行了分析，并且对其磨擦学性能进行了考察。结果表明：类金刚石薄膜是由金刚石、石墨碳等相组成，具有较高的硬度、较低的摩擦系数和良好的耐磨损性能。     

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．     

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。     

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.     

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.     

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.     

基于分子动力学方法的多层石墨烯超滑失效机理分析

本文作者采用混合势函数(Lennard-Jones势和REBO势),基于Verlet算法动态模拟了金刚石探针(100)与多层石墨烯间的压入和滑动摩擦过程,分析了不同压深下多层石墨烯的摩擦力及平均摩擦系数变化的特点,统计了不同压深下的层间键合作用、层内断键数量以及实际原子接触面积,阐述了多层石墨烯超滑失效的机理.结果表明:压深对多层石墨烯间的超滑失效有着重要影响,探针压深增加导致的摩擦力振幅上升与悬空石墨烯压缩应变增加产生的影响非常相似;6.1(A)是石墨烯超滑失效的临界压入深度值,压深小于6.1(A)时,石墨烯有着明显的超滑特性,且摩擦力变化周期不受压深的影响,并等于石墨烯晶格常数;压深大于6.1(A)后,摩擦力变化完全失去周期性,探针在滑动中需要克服的势垒急剧上升,摩擦力显著增大,超滑明显失效.当压深为6.1(A)时,石墨烯层间开始出现键合作用,层内也出现断键现象,且随压深的增加越加剧烈,层内的断键和层间键的形成是引起石墨烯超滑失效和摩擦力突变的主要原因,而实际原子接触面积与此突变的相关性很小.     

粘结固体润滑膜及其应用

粘结固体润滑膜是固体润滑材料的主要类型之一，因其性能优异而获得了从民用机械到空间技术等各个方面的广泛应用，几乎可以用到工程实际中所有的摩擦部件上．近年来，我国粘结固体润滑膜的应用除在航空航天等尖端技术方面继续保持原有的优势外，其在民用机械中的应用也在逐年增多．但是，由于大多数工程技术人员目前对粘结固体润滑膜还不够了解，实际使用中尚有一定的困难．针对这种情况，并且为了推动国内粘结固体润滑膜之研究与应用的更快发展，系统地对这类固体膜的分类、性能特点、制备工艺和典型应用等进行了综合介绍与评述，指出要充分发挥粘结固体润滑膜的优势，利用其创造更大的社会效益和经济效益，就应当重视开展对这种固体润滑材料与技术的工业应用研究．     

New Trapping Mechanism in Carbon Sequestration

The modes of geologic storage of CO₂ are usually categorized as structural, dissolution, residual, and mineral trapping. Here we argue that the heterogeneity intrinsic to sedimentary rocks gives rise to a fifth category of storage, which we call local capillary trapping. Local capillary trapping occurs during buoyancy-driven migration of bulk phase CO₂ within a saline aquifer. When the rising CO₂ plume encounters a region (10⁻² to 10⁺¹m) where capillary entry pressure is locally larger than average, CO₂ accumulates beneath the region. This form of storage differs from structural trapping in that much of the accumulated saturation will not escape, should the integrity of the seal overlying the aquifer be compromised. Local capillary trapping differs from residual trapping in that the accumulated saturation can be much larger than the residual saturation for the rock. We examine local capillary trapping in a series of numerical simulations. The essential feature is that the drainage curves (capillary pressure versus saturation for CO₂ displacing brine) are required to be consistent with permeabilities in a heterogeneous domain. In this work, we accomplish this with the Leverett J-function, so that each grid block has its own drainage curve, scaled from a reference curve to the permeability and porosity in that block. We find that capillary heterogeneity controls the path taken by rising CO₂. The displacement front is much more ramified than in a homogeneous domain, or in a heterogeneous domain with a single drainage curve. Consequently, residual trapping is overestimated in simulations that ignore capillary heterogeneity. In the cases studied here, the reduction in residual trapping is compensated by local capillary trapping, which yields larger saturations held in a smaller volume of pore space. Moreover, the amount of CO₂ phase remaining mobile after a leak develops in the caprock is smaller. Therefore, the extent of immobilization in a heterogeneous formation exceeds that reported in previous studies of buoyancy-driven plume movement.     

Si-DLC薄膜在硝酸介质中的腐蚀磨损行为与机理

本文中利用电化学工作站与摩擦试验机研究了DLC薄膜与Si-DLC薄膜在去离子水和硝酸环境下的腐蚀摩擦行为,并通过动电位极化和电化学交流阻抗测试研究了两种薄膜的电化学腐蚀性能,结合磨损试验结果综合分析了两种薄膜在硝酸环境下的腐蚀磨损机理.结果表明:Si掺杂增加了薄膜在硝酸环境下的腐蚀电流密度;减小了DLC薄膜在去离子水和硝酸环境下的摩擦系数;磨损结果分析发现机械磨损是造成薄膜损伤的最主要因素,腐蚀-磨损的相互作用约占薄膜总磨损量的4%,其影响作用不可忽视.     

四面体无定型无氢非晶碳膜的制备及其摩擦学性能研究

采用磁过滤阴极真空弧系统分别在硅片[Si(100)]、W18Cr4V高速钢和Cr18Ni9不锈钢基体上沉积了一系列sp3键含量较高的四面体无定型无氢非晶碳膜(ta-C),研究了所合成薄膜的结构、硬度、附着强度和摩擦磨损性能,考察了基体和薄膜厚度对薄膜摩擦系数的影响,简要分析了相应ta-C膜的失效机理.结果表明,在高速钢基体上沉积的ta-C膜的显微硬度为76 GPa,结合力Lc值达42 N,具有优良的摩擦学性能,其摩擦系数为0.12,且摩擦系数可以在16 000 r范围内保持稳定.     

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.