水环境用高性能类石墨碳基薄膜的制备及其特性研究
频繁启/停等变工况环境下润滑不良是限制水环境摩擦副承载能力和运转可靠性的关键因素,也是水润滑材料所面临的主要挑战.本论文采用磁控溅射技术成功制备了水环境用类石墨碳(Graphite-like carbon,GLC)基固体润滑涂层;基于大气环境干摩擦和水环境混合摩擦,系统考察了元素掺杂对GLC薄膜的结构和性能的影响,研究了GLC薄膜对水润滑陶瓷的减摩抗磨作用,综合考察了不同配副材料对GLC膜摩擦学特性的影响,深入分析了GLC薄膜水环境中磨损破坏的失效机制并提出了相应的控制模型,主要结论如下:
1.GLC薄膜为典型的非晶-纳米晶复合结构,非晶碳基质中镶嵌有纳米晶石墨和纳米晶金刚石等碳质团簇.通过工艺控制,GLC薄膜的sp2键含量可达80%以上,硬度可达25GPa左右.该GLC薄膜在大气环境和水环境下均能表现出优异的低摩擦和高耐磨特性.
2.元素掺杂可提高GLC薄膜的硬度及在大气环境中的干摩擦性能,但异质原子的引入将会增加GLC薄膜在水环境中的磨损损伤.提高制备过程中的沉积偏压可适当改善元素掺杂GLC薄膜在水环境中的摩擦学性能,但仍不能根除摩擦界面上的局部脆性剥落现象.
3.纯GLC薄膜对水润滑陶瓷在大气环境和水环境中均具有明显的润滑防护功效.Si过渡GLC薄膜对Si基陶瓷在水环境中的减摩抗磨功效较好,Ti过渡GLC薄膜对金属陶瓷在水环境中的减摩抗磨作用较为明显.脆性剥落是GLC薄膜在水环境中磨损失效的关键,可通过优化界面过渡及提高薄膜致密度来加以控制.
4.干摩擦时,硬质配副材料表面更易形成稳定石墨化转移膜,促使GLC薄膜表现出较低摩擦系数;赫兹接触应力大时GLC薄膜磨损较严重,三体磨料磨损将加剧GLC薄膜的磨损.水环境对GLC薄膜固体润滑效应有抑制作用,配副材料表面所生成有润滑作用的摩擦化学产物则会进一步降低GLC薄膜水环境中的摩擦系数;水环境缓和了GLC薄膜的磨损,但当配副材料表面磨损加剧而产生更多硬质颗粒时,相应GLC薄膜的磨损也将加剧.
- 作者：
- 王永欣
- 学位授予单位：
- 中国科学院研究生院
- 专业名称：
- 材料学
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2011年
- 导师姓名：
- 薛群基；王立平
- 关键词：
- 水环境；高性能类石墨碳膜；水润滑材料；摩擦学性能；配副材料
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