氮化硅球表面类金刚石膜高温摩擦学性能的研究

摘要

随着氮化硅陶瓷球轴承的广泛应用，对滚动体表面润滑性能的改性交得日益强烈。类金刚石膜（Diamond-like carbon films，简称DLC膜）作为一种综合性能优异的薄膜，在航空航天领域作为固体润滑剂得到了广泛的应用。通过在氮化硅球表面镀一层DLC膜，可有效改善氮化硅陶瓷轴承的摩擦学性能。滚动轴承在运行过程中，轴承的工作温度会高于常温，而DLC膜的结构、润滑性能等都与温度密切相关，因此有必要研究DLC膜在高温工况下的热稳定性及摩擦学性能。
　　本文首先采用非平衡磁控溅射法分别在氮化硅陶瓷球及高速工具钢表面制备了DLC膜，并运用各种仪器和方法对其进行了表征。表征结果显示，所制备的DLC膜表面虽存在小坑，但整体光滑，且具有DLC膜的典型Raman光谱特征和较高硬度。接着，针对轴承在实际工作中所遇到的不同摩擦配副、速度、载荷等问题，运用实验法分别对其进行了研究，研究结果表明;DLC膜能够有效改善Si3N4的脆性大的弱点，并起到减磨作用;随着载荷的增加，Si3N4球表面DLC膜的摩擦系数增大，磨损加重;滑动速度对摩擦副摩擦系数的影响比载荷更加显著，随着速度的增加，摩擦副的平均摩擦系数及磨损都是先增后降;Si3N4球表面DLC膜组成的摩擦副在高速工况下能保持低摩擦和高稳定性。
　　然后，针对轴承工作时温度较高且润滑条件为油润滑的情况，考察了DLC膜在高温干摩擦及高温油润滑条件下的摩擦学性能，研究结果表明:在干摩擦和油润滑条件下，DLC膜在100℃时都具有良好的摩擦学性能;高温油润滑条件下，PFPE油润滑下DLC膜的摩擦学性能优于PAO油润滑;PFPE油润滑条件下，DLC膜在200℃时仍保持较低摩擦及磨损。
　　最后，考虑到DLC膜中存在较大的内应力，采用不同温度对DLC膜进行退火处理，探讨了退火温度对DLC膜热稳定性及摩擦学性能影响，研究表明:退火温度越高，DLC膜拉曼光谱曲线中D峰与G峰的积分强度比值AD/AG越大，DLC膜的石墨化程度越强;400℃退火处理后的DLC膜在常温及100℃时都具有良好的摩擦学性能，分析认为常温下的低摩擦性能主要与DLC膜石墨化及硬度的提高有关，而在高温下的低摩擦性能则主要与具有超低剪切强度的氧化石墨的生成有关。
　　本文开展的DLC膜在不同工况下摩擦学性能及退火后稳定性及摩擦学性能的研究，为DLC膜在轴承滚动体表面的应用提供理论基础，对DLC膜在高温工况条件下的应用具有重要意义。

目录

摘要

1 绪论

1．1 论文研究背景

1．2 类金刚石膜简介

1．2．1 类金刚石膜的结构

1．2．2 类金刚石膜的制备方法

1．3 国内外研究现状

1．3．1 类金刚石膜摩擦磨损性能的研究现状

1．3．2 类金刚石膜热稳定性的研究现状

1．4 论文主要研究内容

2 DLC膜的制备及性能表征

2．1 引言

2．2 DLC膜的制备

2．2．1 非平衡磁控溅射原理

2．2．2 DLC膜的制备过程

2．3 DLC膜性能表征

2．3．1 表面形貌表征

2．3．2 表面粗糙度

2．3．3 Raman光谱分析

2．3．4 显微硬度测量

2．4 本章小结

3 常温下氮化硅球表面DLC膜摩擦学性能的研究

3．1 引言

3．2 实验方案

3．3 不同影响因素对DLC膜摩擦学性能的影响

3．3．1 摩擦配副

3．3．2 法向载荷

3．3．3 滑动速度

3．4 本章小结

4 氮化硅球表面DLC膜高温摩擦学性能的研究

4．1 引言

4．2 实验方案

4．3 温度对DLC膜摩擦学性能的影响

4．4 不同种类油润滑下DLC膜的高温摩擦学性能

4．5 PFPE润滑下DLC膜的高温摩擦学性能

4．6 DLC膜热应力理论计算分析

4．7 本章小结

5 退火温度对DLC膜热稳定性及摩擦学性能的影响

5．1 引言

5．2 退火温度对DLC膜热稳定性的影响

5．2．1 实验部分

5．2．2 Raman光谱分析结果

5．3 退火温度对DLC膜摩擦学性能的影响

5．3．1 常温下DLC膜的摩擦学性能

5．3．2 100℃下DLC膜的摩擦学性能

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 主要研究结论

6．2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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