类富勒烯碳基薄膜在离子液体润滑剂作用下的摩擦学性能

利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术,在单晶硅基底表面制备含氢类富勒烯碳基薄膜.采用FEI Tecnai F30型高分辨透射电镜(HRTEM)和LABRAM HR 800型拉曼光谱仪对薄膜的结构进行表征;利用摩擦磨损试验机、奥林巴斯STM6测量显微镜和X射线光电子能谱仪(XPS)分析比较薄膜在干摩擦与离子液体1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(L-B102)润滑条件下的表界面特性.实验结果表明:所制备的碳基薄膜具有典型的类富勒烯结构;在离子液体作为润滑剂条件下,含氢类富勒烯碳基薄膜在低频率摩擦时表现出减摩性能;在高频率摩擦中表现出优异的抗磨性能,磨损寿命显著提高.其作用机理可能是离子液体在摩擦过程中作为约束液体,当液体与固体表面接触时,由于分子或原子相互吸引的作用,产生物理吸附边界润滑膜,有效地起到减摩抗磨作用.

真空环境下类富勒烯碳薄膜与不同配副材料的摩擦学性能

目的提高类富勒烯碳薄膜真空摩擦学性能。方法采用等离子增强化学气相沉积技术(PECVD)制备了类富勒烯碳薄膜(FLC),利用扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、拉曼光谱(Raman)和纳米力学仪等研究了薄膜厚度、结构及力学性能。采用真空摩擦试验机考察了真空环境下类富勒烯碳薄膜分别与非晶碳薄膜(DLC)、FLC、钢球和MoS_(2)薄膜组成配副的摩擦学性能,结合磨痕形貌和转移膜Raman及HRTEM结构分析,探究了材料的摩擦磨损机制。结果MoS_(2)与FLC组成的摩擦副具有低摩擦因数(0.02)和低磨损率(10‒20 m^(3)/(N·m)),类富勒烯碳薄膜具有高硬度,能够在摩擦过程中支撑容易“坍塌”的MoS_(2)。结论在摩擦过程中类富勒烯结构因剪切力和Mo的催化作用发生解构现象,引起薄膜中的sp3向sp2转变,并且重建为片状石墨片。MoS_(2)形成了转移膜在摩擦过程中扮演的角色一方面是润滑剂,另一方面是催化剂,作为润滑剂能够改善磨损情况,作为催化剂参与类富勒烯结构的重构过程,获得在真空环境下的低摩擦因数和低磨损性能。

含氢类富勒烯碳薄膜制备及超滑性能研究进展

类富勒烯碳薄膜是一种由弯曲石墨烯镶嵌的非晶网络复合结构,正是由于这种弯曲石墨烯结构(类富勒烯结构)的存在,赋予了薄膜高的硬度,优异的弹性恢复和超低摩擦性能(摩擦因数为0. 002～0. 009)。综述含氢类富勒烯碳薄膜制备方法、纳米结构调控机制、超低摩擦学机制及后处理对薄膜摩擦学性能的影响;探讨含氢类富勒烯碳薄膜在汽车发动机方面的应用,指出其可有效降低发动机部件的摩擦磨损,有利于发动机的节能减排;总结氢类富勒烯碳薄膜未来工程应用的潜在挑战,指出类富勒烯碳薄膜虽在可控范围内具有超滑性能,但未来如何实现全工况范围超滑和固油复合超滑将是一个主要研究方向。

低摩擦长寿命类富勒烯碳基薄膜的制备及其摩擦学特性

以甲烷(CH4)为前躯体,利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术,在单晶硅〈n-100〉基底表面制备含氢类富勒烯碳基薄膜(FL-C∶H)。采用高分辨透射电镜(HRTEM)、拉曼光谱仪(LABRAM)和多功能X射线光电子能谱仪(XPS)对薄膜及磨屑结构进行表征;利用摩擦磨损试验机、扫描电子显微镜(SEM)分别测试薄膜的摩擦学性能和观察磨屑的微观形貌。结果表明,所制备的碳基薄膜具有类富勒烯纳米结构,且磨屑的显微结构亦呈现类富勒烯结构的特征。同时,类富勒烯纳米结构的碳基薄膜具有优异的摩擦学性能,与传统非晶类金刚石薄膜相比,其磨损寿命显著提高,在载荷为30N、摩擦速率为0.1m/s下薄膜的磨损寿命为3 538.2m,摩擦系数低至0.012左右,显示出长寿命低摩擦特性。

甲烷流量对类富勒烯碳基薄膜结构与摩擦学性能的影响

以甲烷为前驱体,采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术沉积类富勒烯碳基(FL-C∶H)薄膜于单晶硅<n-100>基底材料表面。利用高分辨透射电镜(HRTEM)和拉曼光谱仪(Ramman)对薄膜的结构形貌进行表征;通过原位纳米力学测试系统和摩擦磨损试验机分析比较薄膜在不同甲烷流量的情况下的力学特征及摩擦学特性。实验结果表明:所制备的碳基薄膜具有类富勒烯纳米结构特征,甲烷流量对类富勒烯碳基薄膜(FL-C∶H)的结构和性能具有较大的影响;薄膜的弹性模量、硬度以及薄膜中的类富勒烯结构随着甲烷流量的增加而减小,但是摩擦系数对甲烷流量的变化不敏感。

含氢类富勒烯碳薄膜不同载荷下的磨损寿命研究

碳基薄膜在不同载荷工况下磨损寿命变化是影响其动态服役的关键,通常情况下,含氢碳薄膜的寿命随载荷增加而降低,但是含氢类富勒烯碳薄膜作为一类特殊结构的薄膜,其寿命随载荷的变化规律尚不清楚。本文采用直流电源激发等离子体辅助化学气相沉积的方法在硅片表面制备了含氢类富勒烯碳薄膜,研究了薄膜的磨损寿命随载荷的变化关系。采用球-盘往复摩擦实验机评价了薄膜的摩擦因数及磨损寿命,使用纳米压痕仪研究了薄膜在不同载荷下和不同磨损时间的磨痕硬度。结果显示,薄膜的磨损寿命随载荷的增加未发生明显变化;不同载荷下,在磨合期,摩擦表面发生了塑性变形,形成了硬化层,导致磨痕表面硬度(H)增加;摩擦因数稳定后,磨痕硬度不再变化;随着载荷变大,摩擦初期磨痕表面硬度增大;薄膜的磨损寿命(T)与载荷(W)的乘积(TW)与H成正比例关系,即载荷增加,薄膜表面硬度也随之增加,磨损降低,磨损寿命保持稳定。

氮气流量对类富勒烯碳氮薄膜结构及力学性能的影响

目的在9Cr18钢表面制备类富勒烯碳氮薄膜,提高9Cr18钢表面强度。方法采用非平衡直流磁控溅射技术,在沉积温度为300℃的Ar和N2混合气氛中溅射C靶,制备类富勒烯CNx薄膜。利用XPS、Raman光谱、SEM研究了类富勒烯CNx薄膜的微观结构,利用纳米压痕仪和球盘摩擦试验机研究了CNx薄膜的力学性能和摩擦学性能。结果类富勒烯CNx薄膜中存在sp2 C—C、sp2 N—C和sp3 C—N化学键,类富勒烯结构的CNx薄膜的ID/IG比值较高且G峰向低峰位移动。随着氮气流量的增加,薄膜的硬度和弹性恢复系数先增大后减小,薄膜的硬度和弹性恢复系数越高,其磨损率越低。结论氮气流量为10 m L/min时制备的CNx薄膜具有较高的硬度和弹性恢复系数以及较低的摩擦系数和磨损率。在9Cr18钢表面制备类富勒烯碳氮薄膜能显著提高其表面强度。

类富勒烯碳薄膜的结构演变及摩擦学性能研究

通过等离子体增强化学气相沉积技术,以不同沉积时间在硅表面上制备类富勒烯碳薄膜,探究类富勒烯碳薄膜结构演变和摩擦学性能随沉积时间变化规律。利用拉曼光谱和透射电子显微镜,考察类富勒烯碳薄膜微结构和表面形貌随沉积时间的变化。结果表明:碳薄膜内类富勒烯结构含量随沉积时间先增加后保持不变;采用沉积时间为3 h的类富勒烯碳薄膜组成摩擦配伍对,当载荷从8 N增加到14 N时,摩擦因数从0.013降至0.006,即随载荷的增加实现了由低摩擦向超滑的转变。这是因为摩擦诱使类富勒烯碳薄膜发生结构转变,并形成有利于减少摩擦的类球状或外部石墨壳层闭合的纳米颗粒。

类富勒烯结构对含氢碳膜摩擦学性能的影响

目的研究类富勒烯结构含氢碳膜的摩擦学性能及润滑机理。方法采用闭合场非平衡反应磁控溅射技术,通过调节靶电流制备出类富勒烯结构含氢碳膜(FL-C:H)与非晶含氢碳膜(a-C:H)。通过扫描电子显微镜、原子力显微镜观察薄膜表面与断面的形貌,通过傅里叶红外光谱仪表征了碳膜的碳氢键结构,通过纳米压痕仪、划痕仪、摩擦磨损实验评价薄膜的力学及摩擦学性能,通过透射电子显微镜分析磨屑结构,并通过光学显微镜及三维轮廓仪对磨斑及磨痕形貌进行分析。结果类富勒烯结构对薄膜的机械力学性能影响不大,但是对其大载荷下的摩擦学性能有影响。与a-C:H碳膜相比,小载荷下(5 N),FL-C:H碳膜的摩擦系数较高,大载荷下(20 N),FL-C:H碳膜具有较低的摩擦系数(0.03)和磨损率(4.8×10^−8 mm^3/(m·N)),并且其摩擦界面形成了类球状纳米结构颗粒。随着载荷的增加,FL-C:H碳膜的摩擦系数和磨损率先降低,后基本不变,在载荷大于15 N时,摩擦界面形成了类球状纳米结构颗粒。结论类球状纳米结构颗粒的形成能降低薄膜的摩擦系数和磨损率,而FL-C:H碳膜比a-C:H碳膜更易在摩擦界面形成类球状纳米结构颗粒。这种类球状纳米结构的形成还依赖于载荷的大小(大载荷时更易形成),因此类富勒烯碳膜在大载荷下更易保持低的摩擦系数及磨损率。

含氢类富勒烯碳膜在不同润滑介质下的摩擦学性能

利用等离子体增强化学气相沉积技术,在钢球和硅基底上制备含氢类富勒烯碳膜(FL-C:H),并利用拉曼光谱仪、X射线光电子能谱仪(XPS)、场发射高分辨透射电子显微镜(HRTEM)以及纳米压痕仪等手段分析了FL-C:H薄膜的结构和力学性能,并通过摩擦磨损试验机、三维表面轮廓仪和光学显微镜研究了在PAO6和发动机油的润滑介质下FL-C:H薄膜对摩时的摩擦学性能.结果表明:在PAO6和发动机油作为润滑介质下FL-C:H薄膜与FL-C:H薄膜对摩具有较低的摩擦系数和磨损率,能够起到更好得润滑作用.

界面调控对类金刚石碳基薄膜/铜摩擦副摩擦学行为的影响

无氢DLC/金属铜摩擦副体系摩擦系数高且不易调控,调整DLC/金属铜摩擦界面从而降低其摩擦系数是亟待解决的问题.本研究中通过制备含氢与无氢类金刚石碳基薄膜,采用试验分析与模拟计算结合的方法研究了不同氢含量碳基薄膜与铜配副的摩擦学特性并讨论了氢原子在摩擦界面对改善摩擦学性能所起的作用.结果表明:摩擦界面的结构特性对于类金刚石碳基薄膜/铜配副体系摩擦学性能有非常重要的影响,氢原子可以通过减小摩擦副之间的黏着从而起到调节摩擦界面的作用.通过向DLC中掺杂氢等钝化元素可有效调控界面处的相互作用从而调控体系摩擦学性能.本研究方法为降低DLC/铜摩擦副体系摩擦系数提供参考.

SUS304不锈钢管内壁类金刚石碳基薄膜的制备及其腐蚀、摩擦学性能

金属管内壁常规等离子体化学气相沉积类金刚石碳基(DLC)薄膜的耐腐蚀性能及摩擦学性能差,以空心阴极法等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术在SUS304不锈钢管内壁制备了DLC薄膜。采用现代表面分析技术,评价了DLC薄膜的微观结构、力学性能、耐腐蚀性能和摩擦学性能。结果表明:采用空心阴极PEVCD法制备DLC薄膜,沉积速率高达14μm/h,膜厚为11～14μm,硬度为13～15 GPa; DLC薄膜的腐蚀电流密度比SUS304不锈钢管内壁低3个数量级,且随调制周期数增加呈降低趋势; 720 h盐雾腐蚀DLC薄膜表面未出现蚀坑,SUS304不锈钢管内壁则出现了锈斑; DLC薄膜在空气、去离子水及PAO润滑油中的摩擦系数和磨损率均大幅低于SUS304不锈钢管内壁;采用空心阴极PECVD法在SUS304不锈钢管内壁制备的DLC薄膜具有优异的耐腐蚀性能和摩擦学性能。

多层结构设计对类石墨碳基薄膜摩擦学性能的影响

采用直流磁控溅射法在15-5PH钢样片上制备Cr/GLC单层膜和具有6个交替结构的Cr/GLC多层膜。利用扫描电镜(SEM)、拉曼光谱仪(Raman)对薄膜结构进行表征;采用纳米压痕仪、划痕仪等测试其力学性能;利用MFT-5000多功能摩擦磨损试验机测试薄膜在大气及海水环境中的摩擦磨损性能,并分析其磨损机理。结果表明:多层结构设计提高了薄膜的致密度和石墨化程度,降低了内应力,Cr/GLC多层膜的膜基结合力、硬度及弹性模量均高于Cr/GLC单层膜。中、低载荷时,两种类石墨碳基薄膜的磨损形式以磨粒磨损为主,Cr/GLC多层膜在大气环境及海水环境下较Cr/GLC薄膜具有更好的摩擦学性能。高载荷下,Cr/GLC多层膜在大气环境下仍具有较好的摩擦学性能,但在海水环境下的耐磨性劣化。

基于ABAQUS的类石墨碳基薄膜摩擦界面接触应力分析

目前对类石墨碳基薄膜在多因素影响下的性能变化研究不多。基于ABAQUS软件建立类石墨碳基薄膜的有限元模型,对其在边界润滑条件下的摩擦界面接触应力进行研究,并通过正交试验系统地研究了膜基体系内的Mises应力随薄膜厚度、材料属性和摩擦系数变化的分布规律,最终确定了较优的薄膜设计参数,为膜基构件的结构优化设计提供一定的理论指导。数值模拟结果表明:工作层与钢球之间的摩擦系数对薄膜应力影响最大,工作层的泊松比及弹性模量、过渡层的厚度、工作层的厚度对其影响依次减小。适当地降低工作层的弹性模量、表面粗糙度和提高工作层的泊松比,能够降低薄膜在接触过程中的应力集中;过渡层的厚度宜选择在0.5μm左右,而工作层的厚度宜选择在1.5μm左右。

兰州化物所多尺度强韧化类金刚石碳基薄膜研究与应用取得进展

中科院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室薛群基院士和王立平研究员带领的团队在多尺度强韧化类金刚石碳基薄膜研究与应用方面取得了重要进展。

兰州化物所：多尺度强韧化类金刚石碳基薄膜研究与应用取得进展

中科院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室薛群基院士和王立平研究员带领的团队在多尺度强韧化类金刚石碳基薄膜研究与应用方面取得了重要进展。

中科院兰州化物所高真空环境类金刚石碳基薄膜摩擦机理研究获进展

中国科学院兰州化学物理研究所低维材料摩擦学课题组在高真空环境下类金刚石碳基薄膜摩擦机理研究方面取得新进展。研究工作相继发表在近期出版的ACSAppl．Mater．Interfaces（2013，5，5889～5893）和Carbon（2014，66，259～266）。

高真空环境下氟化类金刚石碳基薄膜失效本质和延寿取得新进展

中国科学院兰州化学物理研究所王立平研究员和鲁志斌副研究员带领的研究小组近期在高真空环境氟化非晶碳基薄膜的失效本质和延寿方面取得重要突破，成功实现了氟化非晶碳基薄膜在高真空条件下的超长磨损寿命设计和可控制备。通过成分设计和多层界面微观结构构筑，研究人员成功设计制备了具有低内应力的氟化非晶碳基薄膜，

多元掺杂类金刚石碳基复合薄膜研究取得阶段进展

中科院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室低维材料摩擦学课题组在多元掺杂碳基复合薄膜的可控制备与功能特性研究方面取得了新进展。

类金刚石碳基纳米复合薄膜研究获进展

在科技部863项目和国家自然科学基金项目支持下，中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室薛群基院士和王立平研究员带领的团队与英国南安普顿大学先进摩擦学国家中心合作，在摩擦白适应类金刚石碳基纳米复合薄膜研究上获得了进展。