超润滑非晶碳膜中程有序纳米结构的调控及性能相关性研究

摘要

含氢非晶碳薄膜(a-C∶H)由于高硬度、低摩擦、耐磨损和化学惰性等优良特性，作为新型的固体润滑材料引起了国内外的研究热潮。然而其存在韧性差、承载低等问题，很大程度上影响了服役寿命和可靠性。本论文从碳膜中程有序纳米结构设计调控入手来改善上述不足，基于本课题组前期发现的溅射靶面存在的外场诱导生长效应，以金属Ni作为催化靶材，通过对Ar与CH4比例、靶材形貌、溅射电流等制备参数的控制研究，实现了碳膜中类富勒烯特殊纳米结构的可控生长;探讨了薄膜中程有序纳米结构与其机械性能、摩擦学性能之间的相关性。主要研究结果如下:
　　1.适中的Ar与CH4气源比例可以保证靶面处于临界中毒点，外场诱导生长效应得以实现;靶面纳米化形貌可以大幅提高催化效率;小的溅射能量可以减少再溅射过程中对前驱体的破坏。通过三个关键参数的控制，在靶面形成了具有完整富勒烯洋葱纳米球结构的前驱体。然后，前驱体进一步溅射到基底上形成了大量富勒烯卷曲纳米结构镶嵌的非晶碳复合薄膜材料。该研究进一步验证了外场诱导生长效应的正确性和对金属催化源的普适性，为碳膜中特殊中程有序纳米结构的调控制备提供新的思路和方法。
　　2.类富勒烯结构的生成大幅提高了碳薄膜的强韧一体化力学性能和摩擦学性能。使得碳膜材料在高接触应力(3.2 GPa)下的磨损寿命不受影响，仍然可以保持1.5×105转。原因是类富勒烯纳米结构将二维平面内优异的力学强度扩展到三维，增强了碳网络结构，这证明了通过非晶碳薄膜中键价空间构造的调控可以改善材料的强韧一体化力学性能，为非晶碳薄膜性能提升提供了新的思路。
　　3.设计了相同材料配副，而接触方式不同的摩擦试验，当钢球与镀a-C∶H膜的钢平板对摩时，a-C∶H可以转移到对偶形成均匀的转移膜，可以实现超润滑性能(摩擦系数0.009);而当镀a-C∶H薄膜钢球与钢平板对摩时，a-C∶H不能转移到对偶形成转移膜，摩擦系数高(0.362)。证明了转移膜的形成是a-C∶H薄膜实现超润滑性能的必要条件。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 类金刚石薄膜材料的结构、组成与性能

1．1．1 类金刚石薄膜的组成与分类

1．1．2 类金刚石薄膜的结构

1．1．3 类金刚石薄膜的性能与应用

1．2 类金刚石薄膜材料的制备方法

1．2．1 物理气相沉积(PVD)

1．2．2 化学气相沉积(CVD)

1．2．3 液相沉积技术

1．3 超润滑类金刚石薄膜材料的研究现状

1．3．1 超润滑类金刚石薄膜材料的不足

1．3．2 超润滑类金刚石薄膜材料的发展趋势

1．4 选题目的及意义

2 外场诱导碳膜中程有序纳米结构的生长与可控制备

2．1 气源比对碳膜中程有序纳米结构生长的影响

2．1．1 实验部分

2．1．2 结果与讨论

2．1．3 小结

2．2 靶面形貌对碳膜中程有序纳米结构生长的影响

2．2．1 实验部分

2．2．2 结果与讨论

2．2．3 小结

2．3 靶电流对碳膜中程有序纳米结构生长的影响

2．3．1 实验部分

2．3．2 结果与讨论

2．3．3 外场诱导中程有序纳米机构的生长机理

2．3．4 小结

3 碳膜中程有序纳米结构与力学、摩擦学性能的相关性及作用机理

3．1 碳膜中程有序纳米结构与薄膜力学性能的相关性

3．1．1 实验部分

3．1．2 结果与讨论

3．1．3 小结

3．2 碳膜中程有序纳米结构与摩擦学性能的相关性

3．2．1 实验部分

3．2．2 结果与讨论

3．2．3 小结

3．3 碳膜转移膜超润滑机理的验证

3．3．1 实验部分

3．3．2 结果与讨论

3．3．3 小结

4 结束语

4．1 论文的主要研究内容与结论

4．2 存在的问题和今后工作的研究内容

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果