含氢类富勒烯薄膜摩擦性能研究及固液复合润滑

摘要

由于现代科学技术的发展，摩擦所导致的负面效应也越来越严重。不仅是材料的破坏损耗，摩擦所造成的能源的浪费和污染物的排放也是非常严峻的问题。随着科技的发展，极大地拓展了人类所能踏足的领域，而且新型技术的发展使人们在微观与宏观尺度上的探索有了飞跃式的进步。同样，对运动部件机构的长寿命和高可靠性有了更加严苛的需求，通常来说，大幅度提升机械运动部件的使用寿命及可靠性的关键技术之一是优秀的润滑技术。固体薄膜润滑具有使用温度范围宽、结构简单等优点，比如类金刚石碳膜，特别地，在类金刚石碳膜的研究过程中，摩擦学者发现了一种具有独特纳米结构的非晶碳膜，即类富勒烯纳米结构镶嵌在非晶碳网络中，其与常规非晶碳膜来说，具有更高的硬度和弹性恢复，化学惰性及摩擦磨损特性。特别是含氢类富勒烯薄膜，由于氢的存在，具有更加优异的摩擦学性能。但是对于固体润滑薄膜而言，有限的使用寿命，替换的困难性，容易氧化及退化等缺点限制了其进一步的应用。因此，提高运动部件寿命及可靠性是目前所急需解决的问题。基于以上问题，本文通过两个方面为提高运动部件寿命及可靠性，一方面通过调查含氢类富勒烯薄膜，研究其磨损过程中磨损寿命变化，及温度对薄膜可靠性的影响；另一方面，通过使用固液复合润滑的方式来改善固体润滑薄膜的缺陷。 1. 通过直流等离子增强化学气相沉积方法在硅片表面生长了类富勒烯含氢碳膜，并通过扫描电子显微镜（SEM），高分辨透射电子显微镜（HRTEM），拉曼光谱证实了薄膜的结构。通过纳米压痕仪测量了薄膜在磨损阶段的硬度，并用中国科学院兰州化学物理研究所自制的球-盘往复摩擦磨损试验机上研究了薄膜在不同载荷下的摩擦系数及寿命的变化。探讨了薄膜在不同载荷下寿命变化与薄膜硬度的关系。通过测载荷为 10N、20N、25N下不同摩擦时间的含氢类富勒烯薄膜的表面硬度，可得出结论，在磨合期，在载荷作用下，薄膜表层内部发生塑性变形形成硬化带，使薄膜的硬度增加。当摩擦系数稳定后，其表层硬度在一定范围内保持稳定。当载荷变大时，摩擦初期薄膜表层硬度也相应增大。 由 Archcard 公式可推出 TW=(Db/k)H，即含氢类富勒烯薄膜磨损时间（磨损寿命） T与载荷W的乘积TW与总厚度D和磨损宽度b的乘积与磨损系数k的比值Db/k成正比例关系，从试验角度证明了其可靠性。故可解释随载荷增加，薄膜摩擦系数下降而其磨损寿命保持稳定的现象，即载荷增加，薄膜表面硬度也随之增加，故其磨损减弱，从而使得磨损寿命稳定。 2. 通过在氮气中对薄膜进行退火，研究了含氢类富勒烯碳薄膜的热稳定性。通过弹性反冲检测（ERD），高分辨透射电子显微镜（HRTEM），拉曼光谱和X射线光电子能谱（XPS），纳米压痕仪调查了薄膜在退火温度为200、250、300、400和500℃下结构的变化，并研究薄膜退火前后的摩擦磨损性能。当退火温度低于300℃时，薄膜中类富勒烯结构随退火温度升高而越来越明显，薄膜的硬度增加，磨损体积减少。薄膜中的sp2原子在低温退火（250?300℃）下转变为sp3原子。随着退火温度的升高（400和500℃），薄膜sp3原子转化为sp2原子，薄膜开始石墨化。在退火温度为300℃时，含氢类富勒烯薄膜具有最好的抗磨减摩磨损性能。 3. 通过把石墨烯加入基础油PAO6中作为润滑剂，加在含氢类富勒烯薄膜的摩擦界面。使用等离子体增强化学气相沉积系统将含氢类富勒烯薄膜沉积在钢球（GCr15）和硅晶片（100）上。在添加RGO的基础油的润滑下研究未涂覆或涂覆含氢类富勒烯薄膜的钢球与含氢类富勒烯薄膜之间的摩擦学性能。结果表明，含氢类富勒烯薄膜和 RGO对减少摩擦和磨损具有协同效应。FL-C：H /（PAO6 + RGO）/ FL-C：H体系不仅提高了润滑和抗磨损能力，而且在摩擦学领域有显著的应用潜力。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 含氢类富勒烯薄膜概述

1.3 选题依据和研究内容

第二章 类富勒烯含氢碳膜寿命研究

2.1 引言

2.2 薄膜的制备、表征及试验

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 退火处理对含氢类富勒烯薄膜的影响

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 含氢类富勒烯薄膜界面的固液复合润滑

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

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