类石墨氮化碳薄膜的电化学沉积

用 1:1.5的三聚氯氰和三聚氰胺的饱和乙腈溶液为沉积液 ,在Si(10 0 )衬底上室温常压下电化学沉积了CNx薄膜。用X射线光电子能谱 (XPS)、傅立叶转换红外光谱 (FTIR)、X射线衍射图谱 (XRD)对沉积的CNx 薄膜进行了测试和分析。XRD的衍射峰的结构数据与文献计算的类石墨相氮化碳的结构数据较为吻合。XPS结果表明沉积的薄膜中主要元素为C、N ,且N/C =0 .81,C1s和N1s的结合能谱中 2 87.84eV的碳和 4 0 0 .0 0eV的氮是样品中碳氮的主体 ,以C3 N3 杂环的形式存在。FTIR光谱中在 80 0cm-1、1310cm-1和 16 10cm-1的吸收峰也表明薄膜中存在C3 N3环 ,和XPS能谱的分析结果一致。Teter和Hemley预言的g C3 N4在结构形式上和三聚氰胺的完美脱胺缩聚物是一样的 ,红外光谱和X射线光电子能谱表明在样品中存在三嗪环 (C3 N3 ) ,支持XRD的实验结果。这说明CNx 薄膜中有类石墨相的C3 N4晶体存在。

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。

M50钢表面磁控溅射Ti-GLC薄膜高温摩擦学性能

为了研究高温环境下轴承钢基体上Ti掺杂类石墨碳基薄膜的实际应用,采用非平衡磁控溅射技术在M50钢表面制备Ti-GLC膜,分别在不同温度、不同线速度下与Al2O3陶瓷球进行摩擦磨损试验,研究其高温摩擦学性能及磨损机理。结果表明,随着温度的升高,Ti-GLC膜中的sp2键含量逐渐增大,石墨化程度加重,硬度和弹性模量逐渐降低,膜基结合力也有所降低。在室温~200℃,所制备的Ti-GLC薄膜保持优异的低摩擦与耐磨损性能,为Ti-GLC薄膜的最佳服役温度区域。在200 mm/s下,随着温度的升高,磨损形式由轻微的黏着磨损和磨粒磨损逐渐转变为严重的磨粒磨损和氧化磨损。

主动磁悬浮轴承系统保护轴承热特性研究及减摩设计

针对主动磁悬浮轴承系统(AMBs)转子跌落过程中转子与保护轴承碰摩产生巨大冲击、振动和大量摩擦热,易使保护轴承失效的问题,对立式转子跌落到保护轴承过程中的热特性进行了研究,分析了转子跌落对保护轴承造成破坏的主要影响因素,进而提出了一种采用磁控溅射技术在保护轴承关键表面沉积固体润滑薄膜(类石墨碳基薄膜,GLC)的减摩方法,并对镀膜、未镀膜的保护轴承进行了转子跌落试验。研究结果表明:跌落转速为20000 r/min时,保护轴承的最高温度为210.60℃,出现在转子与轴承内圈端面高速碰摩阶段,该温度超过了轴承钢160℃的回火温度,导致轴承烧伤而失效。在跌落试验中,镀有GLC薄膜的自润滑保护轴承试验后的沟道和端面外观明显优于未镀膜保护轴承,由碰摩发热导致的内圈端面硬度下降也较轻,质心轨迹和轴向位移更加平稳,温升更低,GLC薄膜起到了关键的自润滑和减摩功能,提高了保护轴承的使用寿命和服役可靠性,为解决主动磁悬浮轴承系统中保护轴承易失效而发生重大事故的问题提供了一种思路和方法。

深冷处理对GLC多层薄膜界面结构及结合强度的影响

为了研究深冷处理后GLC多层薄膜界面结构及结合强度的变化,采用非平衡直流磁控溅射技术,在W9高速钢上沉积了含GLC功能层、Cr/C梯度层及Cr底层的类石墨碳多层薄膜,厚度约为4μm。采用液氮(-197℃)对GLC/高速钢复合体系进行深冷处理,借助XPS、SEM及TEM表征了GLC薄膜的表面、断面结构及界面微观组织;采用洛氏硬度仪定性考察了薄膜的膜基结合强度。结果表明:复合体系经深冷处理后除基体的硬度及承载能力得以提高外,多层膜各层及基体中裂纹的萌生及传播受到抑制,界面结合强度明显增强。其作用机理在于深冷处理后,Cr底层的柱状晶结构被"打破",纤维状结构消除,组织更加致密均匀;同时,Cr/C梯度层中Cr晶粒碎化平均尺寸由20 nm减小为5 nm,达到细晶强化效果。因此,膜基及层间界面结构得以改善,界面失配减小,基体及多层膜各层间的变形协调性能增强。

不同轴承钢基体沉积Ti-GLC薄膜的高温摩擦学性能

针对航空发动机主轴轴承服役工况恶劣和类石墨碳基薄膜在高温环境下的性能研究不足等问题,采用磁控溅射技术在不同轴承钢基体(M50钢、M50NiL钢和W9Cr4V2Mo钢)上沉积Ti-GLC薄膜,探究在不同温度下的摩擦学性能。采用SEM、Raman分析薄膜的微观结构,采用纳米压痕仪、划痕仪等测试其力学性能,利用MFT-5000型多功能摩擦磨损试验机测试所镀薄膜在不同温度下(室温、200℃、250℃和300℃)的摩擦学性能。结果表明:在三种不同轴承钢基体沉积的Ti-GLC薄膜,其硬度和弹性模量变化不大,结合力从大到小依次为M50>M50NiL>W9Cr4V2Mo。随着温度的升高,三种钢基体沉积Ti-GLC薄膜的摩擦因数均逐渐增大,而磨损率则先减小后增大,且表现出不同的磨损形式。三种轴承钢基体沉积Ti-GLC薄膜的最佳工作温度区间为室温~200℃,M50钢基体所镀薄膜具有更好的力学性能和摩擦学性能,其结合力达到80 N以上,300℃时的平均摩擦因数为0.125,磨损率仅为3.05×10^(−17) m^(3)/(N·m)。研究成果为类石墨碳基薄膜在高温环境下的实际应用奠定了理论基础。