轴承表面DLC润滑薄膜的热特性与滚动摩擦效应研究

摘要

自润滑陶瓷轴承的润滑剂来源包括自润滑复合材料保持架、滚道表面改性润滑膜和滚动体表面改性润滑膜。随着无保持架满装氮化硅陶瓷球轴承的广泛应用，对滚动体表面的润滑改性的需求日趋强烈。具有高硬度、低摩擦系数、高耐磨性及高化学稳定性的类金刚石碳膜，作为固体润滑剂在航空航天领域得到广泛应用。在高温环境下，陶瓷表面润滑薄膜的承载能力除了与机械变形应力有关外，还与工作过程中的界面热应力关系密切。
　　本文利用接触力学、断裂力学以及热力学模型，通过实验、理论分析及软件仿真等方法，从薄膜经历不同温度循环后的的力学性能变化、滚动摩擦效应及高温滑动摩擦磨损性能三方面系统地研究了陶瓷表面 DLC膜的热特性，为陶瓷表面改性润滑膜的实际应用提供基础。
　　膜基结合力是氮化硅陶瓷表面DLC膜能起到润滑作用的前提条件，而且这种膜基结合力在热作用下要有一定的保持能力。本文通过纳米压痕和划痕试验，对经过不同温度热循环后的陶瓷片和陶瓷球表面DLC膜在正压力、正压力和切向力共同作用下的承载能力、膜基结合力进行研究，分析了 DLC膜经过不同温度热循环后的力学性能变化。为氮化硅陶瓷基上DLC膜的实际应用奠定理论基础。
　　使用Ansys有限元模型模拟计算了DLC膜的热应力，分析了不同工作温度下薄膜的热应力的大小和分布。利用高温摩擦磨损试验机，通过试验参数选择，分析陶瓷基底表面DLC膜在不同温度以及在高温环境下承受不同载荷和不同滑动速度时的摩擦磨损性能，并分析 DLC膜在高温环境中的磨损机制，找到DLC膜在高温环境下工作的最佳温度区域以及在此温度区域内膜承载的临界载荷和速度区域。同时结合利用有限元模型计算的热应力结果，分析了DLC膜的热承载特性，为高温环境下陶瓷基体上DLC膜的实际应用奠定理论基础。
　　最后采用经验模型理论计算分析轴承摩擦力矩，利用BRG3000摩擦力矩测试仪测试镀膜陶瓷球轴承的动态摩擦力矩，通过不同润滑方式之间轴承摩擦力矩的比较以及实验参数选择，研究 DLC薄膜的滚动摩擦效应，提供DLC薄膜在轴承中的应用和评测手段。

目录

轴承表面DLC 润滑薄膜的热特性与滚动摩擦效应研究

STUDY ON THERMAL CHARACTERISTICSAND ROLLING FRICTION EFFECT OFDLC FILM ON SURFACE OF CERAMICS

摘 要

Abstract

目 录

第1 章 绪 论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.1.1 课题来源

1.1.2 课题的研究目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 DLC 膜的发展史

1.2.2 DLC 膜热稳定性的研究现状

1.2.3 DLC 膜机械性能的研究现状

1.2.4 DLC 膜摩擦磨损性能的研究现状

1.2.5 轴承摩擦力矩的研究现状

1.3 本课题主要研究内容

第2 章 高温热循环后的氮化硅陶瓷表面DLC膜的承载特性研究

2.1 引言

2.2 氮化硅陶瓷表面DLC 膜的制备

2.3 测试装置及物理模型

2.3.1 纳米划痕仪及相关参数

2.3.2 纳米压痕法的物理模型

2.3.3 纳米划痕法的物理模型

2.4 纳米压痕法表征热循环后的DLC 膜承载特性分析

2.4.1 陶瓷表面DLC 膜弹性模量与硬度分析

2.4.2 陶瓷片表面DLC 膜的纳米压痕试验分析

2.4.3 陶瓷球表面DLC 膜的纳米压痕试验分析

2.4.4 纳米压痕法表征热循环后DLC 膜失效的力学分析

2.5 纳米划痕法表征热循环后DLC 膜的承载特性分析

2.5.1 陶瓷片表面DLC 膜的纳米划痕实验

2.5.2 陶瓷球表面DLC 膜的纳米划痕试验

2.5.3 纳米划痕法表征热循环后DLC 膜失效的力学分析

2.6 热循环后DLC 膜的拉曼光谱分析

2.7 本章小结

第3 章 氮化硅陶瓷表面DLC 膜的高温摩擦特性分析

3.1 引言

3.2 膜基界面热应力分析

3.2.1 热应力引起的薄膜脱层

3.2.2 热应力引起的薄膜开裂

3.2.3 有限元计算氮化硅陶瓷表面DLC 膜热应力

3.2.4 计算结果与分析

3.3 DLC 膜高温滑动摩擦性能测试

3.4 温度对DLC 膜滑动摩擦性能影响

3.5 载荷对DLC 膜高温滑动摩擦性能影响

3.6 速度对DLC 膜高温滑动摩擦性能影响

3.7 DLC 膜失效的热力学分析

3.8 DLC 膜失效的赫兹接触力学分析

3.9 本章小结

第4 章 氮化硅陶瓷球轴承摩擦力矩测试与分析

4.1 引言

4.2 球轴承摩擦力矩理论分析

4.2.1 轴承摩擦力矩产生机理分析

4.2.2 保持架自润滑轴承摩擦力矩理论计算分析

4.3 球轴承摩擦力矩实验测试

4.4 球轴承摩擦力矩实验结果及分析

4.4.1 不同润滑形式对轴承摩擦力矩的影响

4.4.2 经历不同温度热循环后DLC 膜润滑特性保持能力

4.4.3 载荷对镀DLC 膜陶瓷球轴承摩擦力矩的影响

4.4.4 速度对镀DLC 膜陶瓷球轴承摩擦力矩的影响

4.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢