载荷对非晶碳基薄膜腐蚀磨损性能的影响

腐蚀环境条件下的动力件经受腐蚀和磨损的双重损伤,载荷的往复作用使得金属表面的钝化层失去作用而加速损伤,非晶碳基薄膜在腐蚀和摩擦领域展现出优异的防护性能。为了研究载荷对非晶碳基薄膜腐蚀磨损性能的影响,明确各个损失分量随载荷的变化关系,采用磁控溅射在304不锈钢表面制备了a-C薄膜、a-C:Cr薄膜和a-C:Si薄膜,通过动电位极化测试3种薄膜在5.0 mol/L HNO_(3)条件下的静态腐蚀行为,同时结合3种薄膜在去离子水和5.0 mol/L HNO_(3)环境下的不同载荷作用的磨损量,分析研究了载荷对腐蚀摩擦过程中各个分量的影响。结果表明:Si掺杂使a-C薄膜的腐蚀电流密度从1.11×10^(-6 )A/cm^(2)降低至3.96×10^(-7 )A/cm^(2),Cr掺杂后腐蚀电流密度略微降低;随着载荷的增加3种薄膜的腐蚀损伤分量降低,机械磨损分量相应增加,对应的腐蚀-磨损交互作用对薄膜的损伤作用减弱。

非晶碳基薄膜材料水环境摩擦学研究进展

海洋资源的开发利用和人们对环保意识的提高促进了水润滑体系的快速发展.碳基薄膜材料以其高硬度、良好的化学稳定性、生物相容性和优异的减磨耐磨性能成为水润滑体系的最佳候选材料之一.文中综述了近年来碳基薄膜在水基润滑介质中的摩擦学性能及其润滑机理研究进展,并对碳基薄膜在水润滑体系中的潜在应用进行了展望,指出碳基薄膜将向着适应复杂多变环境的智能化及长寿命的方向发展.

碳基薄膜水润滑性能的研究进展

评述了碳基薄膜如类金刚石薄膜(DLC)和非晶氮化碳(a-CNx)薄膜水润滑的研究现状和进展。分析了第2元素加入和摩擦副材料对碳基薄膜在水中摩擦磨损特性的影响,探讨了碳基薄膜在水中的磨损机制。指出:氢化或氮化碳基薄膜的磨损率与摩擦副材料的水合反应有关,若摩擦副材料易于摩擦水合反应,碳基薄膜的磨损率很低;3种DLC薄膜在水中的磨损率与DLC的种类和对磨钢球材料无关,都在10-8mm3/(N.m)的数量级上变动;a-CNx/Si基非氧化物陶瓷摩擦副显示很低的摩擦因数和低的磨损率;在相同条件下,a-CNx薄膜比a-C薄膜更能显示优异的水润滑性能。

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.

激光织构和碳基薄膜复合处理提高钛合金摩擦学性能研究

在重载滑动干摩擦条件下,对比不同织构密度的钛合金表面的摩擦学性能;在耐磨性最好的织构密度钛合金表面再制备碳基薄膜,并与直接在钛合金表面制备的碳基薄膜的摩擦学性能进行对比。结果表明:3种低织构密度条件下,TC4钛合金的摩擦因数减小、磨损率降低;随着织构密度的增大,钛合金材料的摩擦因数变化极小,磨损率有所增加;在织构密度5.95%的钛合金表面制备的碳基薄膜,因织构微凹处产生的小微湍流,减少了摩擦阻力,使得其摩擦因数相比直接在钛合金表面制备的碳基薄膜的摩擦因数有所减小。织构化碳基薄膜的磨损率比钛合金的磨损率降低了99.31%,比直接在钛合金表面制备碳基薄膜的磨损率也降低了约60%,这是因为高接触应力摩擦过程中触发石墨化转变,被磨损的石墨化颗粒碎片嵌入织构微凹中,抑制了摩擦接触界面的磨损行为。

以环戊二烯为碳源制备类富勒烯结构碳基薄膜的结构及力学性能

以环戊二烯为碳源,采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在Si单晶〈n-100〉面上制备了类金刚石薄膜。采用FEI Tecnai F30型高分辨透射电镜(HRTEM)和LAMRAM HR 800型拉曼光谱仪对薄膜及磨屑的结构进行表征;利用MFT-R4000摩擦磨损试验机、Hysitron Ti-950型原位纳米力学测试系统考察薄膜的摩擦学及力学性能。结果表明:所制备的金刚石薄膜具有富勒烯纳米团簇/非晶复合纳米结构,在磨屑中也出现了这种稳定的片层结构从而起到了良好的减摩作用;并且薄膜表现出优异的力学性能和摩擦学性能:其硬度为26.8GPa、弹性回复为85%、摩擦因数为0.01。由于这种特殊纳米结构的存在,使得薄膜的力学性能及摩擦学性能显著提高。

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.

钢球表面制备复合碳基薄膜工艺研究

通过工装设计和工艺配合,在钢球表面制备非晶碳基薄膜,研究薄膜的结构、膜基结合力、摩擦学性能以及钢球表面制备非晶碳基薄膜的均匀性、表面粗糙度、膜层附着性和承载性。结果表明:薄膜由柱状的Cr N层和非晶态的碳基薄膜层组成;薄膜与基体之间的膜基结合力可达58 N;薄膜的摩擦因数较无膜基体降低80%,磨痕宽度减小约85%;在钢球表面制备的非晶碳基薄膜的均匀性较好,且能保持材料的纳米级光滑表面形貌,与基体的附着力能达到HF1级。经模拟工况测试可知,镀膜后钢球的抗压缩性能良好,完全满足使用需求。

碳基薄膜场致电子发射研究进展

碳基薄膜,如金刚石、类金刚石(DLC)和碳纳米管(CNT)等,具有独特的电子、力学、化学特性,且易制备,作为冷阴极场发射材料在平板显示领域有潜在的应用价值而引起了人们的极大兴趣。简要回顾了碳基薄膜的发展历史,综述了碳基薄膜的场发射机理及研究进展。

碳基薄膜场发射中的电阻效应

研究了接触电阻和薄膜体电阻对场发射的影响,计算机仿真和场发射实验表明电阻的大小直接影响强电场下的场发射而对开启电场基本没有影响,随着电阻的增大场发射逐渐偏离Fowler-Nordheim特性而向线性变化过渡。在场发射模型分析的基础上,给出了平面碳基薄膜阴极的等效电路发射模型,分析表明接触电阻的大小严重影响发射的均匀性,因此优化碳膜的制备条件,保证碳膜与金属电极的良好电接触对提高发射性能、改善发射均匀性有重要的意义。

钨掺杂量对剪羊毛机刀片表面非晶碳基薄膜性能的影响

为了解决国产电动羊毛剪刀的刀片基体寿命不足及其表面制备DLC薄膜质量可靠性差等问题,采用非平衡磁控溅射技术在剪羊毛机刀片常用材料GCr15轴承钢表面制备不同钨含量的非晶碳基薄膜。采用纳米压痕仪、划痕仪、摩擦磨损试验机和三维形貌仪对不同钨含量的非晶碳基薄膜的硬度、弹性模量、膜基结合力和摩擦磨损性能进行表征。结果表明,当薄膜中钨含量为9.4%~23.56%时,薄膜的硬度、弹性模量、平均摩擦因数和磨损量都增大。4种钨含量碳基薄膜的膜基结合力都>60N,其中钨含量为21.06%的碳基薄膜的膜基结合力最高,达到74.5N。在整个摩擦过程中,钨含量为12.63%薄膜的摩擦因数最稳定。当钨含量为21.06%和23.56%时,薄膜磨痕形貌呈现典型的磨粒不均匀研磨的形貌特点。

含硅无氢非晶碳基薄膜的摩擦磨损性能

为了研究Si掺杂对无氢非晶碳基薄膜摩擦磨损性能的影响,利用直流磁控溅射技术在单晶硅和304不锈钢基底上沉积不同Si含量的无氢非晶碳基薄膜。采用SEM、Raman光谱、纳米压痕仪等分析手段对薄膜的成分、结构和力学性能进行表征。利用球盘式往复摩擦试验机测试薄膜在无润滑条件下的滑动摩擦磨损性能。结果表明:Si掺杂能降低薄膜内应力和促进sp3杂化,高于10%的Si原子导致薄膜硬度增加。在不同湿度条件下,Si掺杂并未明显影响溅射无氢非晶碳基薄膜的摩擦因数;相反,含Si薄膜在不同测试条件下都具有较高的磨损速率。薄膜磨损速率随相对湿度增加而减小,随Si含量增加而增加;高Si含量薄膜在低湿度条件下具有明显不稳定的摩擦因数和显著增加的磨损速率。这意味着在设计和发展性能优异的无氢非晶碳基摩擦学涂层时,应充分考虑Si掺杂导致的性能损失。

氟化非晶碳基薄膜摩擦学行为对配副材料的依赖性

为了系统研究氟掺杂对非晶碳基薄膜摩擦学行为的影响,以C_2H_2和CF_4为气源,通过等离子体增强化学气相沉积方法制备不同F含量的非晶碳基薄膜.采用XPS、SEM、Raman光谱以及纳米压痕等技术测定薄膜的微观结构、化学组成和力学性能,利用球-盘式往复摩擦试验机评价薄膜与不同配副材料的摩擦磨损性能.结果显示:较低F含量并未显著影响薄膜与强碳黏着对偶Ti、WC和Si_3N_4的摩擦系数;少量F原子掺杂明显增加了薄膜与弱碳黏着对偶ZrO_2和Al_2O_3的摩擦系数;薄膜与GCr15对偶的摩擦系数随F含量增加而明显升高;高F含量导致薄膜与Cu对偶的摩擦系数产生明显波动,而导致薄膜与Al对偶的摩擦系数显著增加;值得注意的是,高F含量薄膜在不同体系中都表现出高摩擦低磨损的特点.高活性F原子与对偶材料的摩擦化学作用能够合理解释不同体系摩擦学行为.

多元碳基薄膜中自形成纳米多层结构的研究进展

碳基薄膜作为一种新型的固体润滑材料其结构设计与调控一直是研究的重点与热点。近年来,在利用物理气相沉积法制备金属-碳多元薄膜时发现原位自形成纳米多层结构的奇特现象,研究表明在薄膜中形成纳米多层结构,可以很好地从微观尺度上增强薄膜材料的机械与摩擦学性能,从而利用纳米多层结构的自形成特性使润滑材料实现强韧一体化及多环境适应性。主要综述了在碳基薄膜制备过程中,复合元素、制备技术和沉积参数3种主要的影响因素分别对自形成纳米多层结构薄膜的生长和微观结构的影响规律,探讨了薄膜中纳米多层结构的自形成机制,展望了碳基薄膜自形成纳米多层结构的发展前景。

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。

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。

半导体碳基薄膜的巨磁电阻和电致电阻

发明了一类新型磁阻材料——沉积于硅基片上的金属掺杂的纳米半导体非晶碳基薄膜材料,它们具有优异的低场磁电阻效应,在磁场为2.388×10~4A/m时,磁阻可达30%以上,灵敏度可以与自旋阀结构的GMR材料相比美。这些材料还有优异的电致电阻效应,在室温时,它们的电致电阻可达70000%。新材料还有新颖的电磁特性,如它们的磁阻可正可负,具有电流-电压曲线的不可逆性,微分负电阻效应。研制的这类材料不仅有新颖的物理特性,具有很大的科学研究价值,而且它们的某些物性已达到了应用的程度,可望在信息工业上(高密度读出磁头、磁传感器、电学量传感器、场效应器件、温度敏感器件等领域)获得应用。

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。

螺旋波等离子体制备多种碳基薄膜原位诊断研究

利用自行研制的强磁场螺旋波等离子体化学气相沉积装置(HWP-CVD),通过改变等离子放电参数,实现多种碳基薄膜制备.利用朗缪尔探针、发射光谱以及质谱对Ar/CH_4等离子体放电进行原位诊断;用扫描电子显微镜和拉曼光谱对碳基薄膜进行表征.结果表明:在给定参数下,等离子体放电模式均为螺旋波放电模式;在给定CH_4流量下,等离子体中电子能量分布均足以使甲烷分子离解,并形成含碳活性自由基.通过CH_4流量调整,实现了不同碳基薄膜的制备.研究表明:当等离子体中富含CH和H自由基时,适合类金刚石薄膜生长;当等离子体中富含C_2自由基和少H时,适合垂直石墨烯纳米片生长.根据等离子体诊断和薄膜表征结果,提出了Ar螺旋波等离子体作用下甲烷分子的裂解机理,建立了碳基薄膜的生长模型;验证了Ar/CH_4–HWP在碳基纳米薄膜制备中的可行性,为HWP-CVD技术制备碳基纳米薄膜提供借鉴.

橡胶表面碳基薄膜耐磨改性研究进展

橡胶具有良好的压缩性和回弹性及良好的气密性、耐溶剂性等性能,是航空航天、石油化工、汽车工业等领域必不可少的密封材料。然而,实际服役中其因摩擦因数极高(≥1)而易磨损失效,进而引发密封介质泄漏,严重影响设备安全性及服役寿命。类金刚石碳基薄膜由于其高硬度、化学惰性、低摩擦磨损特性等被认为是最有前景的橡胶表面耐磨改性涂层。一方面,通过调整薄膜沉积参数可以控制薄膜灵活度和沉积温度,足够的灵活度要求薄膜能够适应橡胶软基底形变而不会发生崩落,而低的沉积温度可以避免降解或破坏橡胶基底;另一方面,碳基薄膜的化学成分(主要包括碳和氢)与橡胶展现出极好的相容性,可以确保其良好的结合强度。综述了近20年来橡胶表面碳基薄膜耐磨改性研究的重要结果和最新进展,总结了目前研究中尚未解决的问题及未来的研究方向。