橡胶/类金刚石复合材料界面结合及摩擦性能研究进展

综述了橡胶表面沉积DLC薄膜的主要制备技术,包括磁控溅射法和等离子体化学气相沉积法。概括了橡胶/DLC复合材料的表面形貌特性,尤其是温差对表面斑块结构的影响机制。重点介绍了X切割法、划痕法及拉伸法为主的橡胶/DLC复合材料界面结合力的评估方法,分析了基体表面等离子体处理、添加过渡层及异质元素掺杂DLC薄膜对提升橡胶与DLC薄膜结合力的影响。此外,以刚性球为摩擦配副,阐述了橡胶/DLC复合材料的摩擦性能测试方法。基于橡胶的黏弹特性,探讨了橡胶/DLC复合材料的摩擦行为,并归纳了Maxwell模型、Voigt模型、双Voigt模型和SLS模型的特点和局限性。最后,围绕目前橡胶表面DLC薄膜耐磨改性工作中存在的问题和挑战,探讨和展望了未来的研究方向。

金刚石热沉与半导体器件连接技术研究现状与发展趋势

半导体器件的集成化和小型化不可避免地导致散热问题发生。热量的持续累积威胁着电子的性能、稳定性和寿命。因此,提高电子器件的散热能力对其稳定运行至关重要。金刚石作为一种高效的散热衬底,具有众多无可比拟的优势,越来越受到人们关注。该文综述了金刚石作为半导体高功率器件热沉的研究进展,简要介绍了金刚石与半导体器件的连接方式,总结了金刚石基半导体器件面临的技术挑战,展望了其未来发展方向。

环氧／碳化硅复合材料的制备和导热性能研究

碳化硅纳米线(SiCNWs)具有导热系数高、热稳定性好、力学性能及耐腐蚀性优异等优点,是提高环氧树脂复合材料导热性能的理想填料。通过对SiCNWs高温氧化使纳米线表面形成二氧化硅(SiO_2)的壳层得到核壳结构的碳化硅纳米线(SiC@SiO_2NWs),对比研究了SiCNWs和SiC@SiO_2NWs对环氧(Epoxy)复合材料热性能的影响。结果表明:Epoxy/SiC@SiO_2NWs复合材料的导热系数达到0.391W/(m·K),相比纯环氧提高了79.4%,同时提高了其热稳定性。

Si含量对Si-GLC薄膜在海洋环境中摩擦学行为的影响

目的为改善类石墨(Graphite-like Carbon,GLC)薄膜在海洋工程中的摩擦学行为,扩展此类薄膜的进一步应用。方法采用磁控溅射技术制备了不同Si含量的Si-GLC薄膜。采用扫描电镜(SEM)、拉曼光谱设备对薄膜的形貌、成分和结构进行了分析,并用海水盐雾、高低温交变试验模拟海洋环境对薄膜的腐蚀作用,利用纳米压痕、往复式摩擦磨损试验机对薄膜的机械性能进行了评价。结果Si-GLC薄膜结构致密,受限于沉积方法,制备的Si-GLC薄膜具有富Si层和富C层交替生长的“伪多层”结构。随着Si含量的增加,C—Si单键的数量逐渐增多,Si-GLC薄膜中sp^(3)杂化键的含量逐步增加。Si-GLC薄膜中sp^(3)杂化键的含量随Si含量的增加而逐步上升,薄膜的硬度与弹性模量在Si质量分数为64.51%时到达最大值,分别为21.3 GPa和245.9 GPa。同时,Si含量较高的薄膜具有更好的耐盐雾、耐高低温交变特性,表现出更好的海洋环境适应性。结论Si质量分数为48.11%时Si-GLC表现出最佳的海洋环境适应性摩擦学性能,在不同试验条件下均具有较低(约0.1)且稳定的摩擦因数,证明在GLC薄膜中掺入适量的Si元素能够起到稳定薄膜内的单键结构,避免薄膜在摩擦过程中发生石墨化,达到提升薄膜耐磨性能的目的。

马氏体时效钢的研究现状

马氏体时效钢具有很高的强度和优良的加工性能,在航空航天、军工装备、汽车动力、精密仪器等领域有广泛应用。介绍了马氏体时效钢的发展历史、成分与性能特点、强韧化机理、制造工艺等,并重点分析了马氏体时效钢的疲劳性能与影响因素。马氏体时效钢以析出强化为主,屈服强度可以超过2 GPa,但超高强马氏体时效钢在一些情况下会发生疲劳强度随抗拉强度提高而降低的情况。提高钴含量,降低钛和铝含量,表面氮化、喷丸处理能够有效提高马氏体时效钢的疲劳强度。为满足耐超高周疲劳器件的制造需求,通过调整合金元素含量,严格控制杂质元素,结合适当的热处理调控析出物,抑制疲劳裂纹萌生,从而进一步提升高强马氏体时效钢的超高周疲劳性能,这是未来的一个发展趋势。

金属催化非晶碳转化制备石墨烯方法的研究进展

石墨烯自2004年被首次发现以来,以其独特、优异的结构和特性引起了广泛关注。目前,石墨烯的制备已取得了众多进展,但在大尺寸、高质量、宏量石墨烯可控制备上仍存在挑战,对制备技术仍需要进行更广泛地探索。非晶碳与石墨烯互为碳的同素异形体,也可作为制备石墨烯的前驱体,近些年利用非晶碳制备石墨烯的新颖方法引起了研究学者的兴趣。本文系统论述了利用非晶碳作为固体碳源,通过金属催化制备大尺寸高质量石墨烯的技术优势,并着重从金属种类、退火温度、碳源及金属含量比例等方面对石墨烯生成质量的影响进行了阐述。最后,总结了该方法生长石墨烯的机理,并对未来的发展方向进行了展望。

工作气压对管内壁沉积Si/O-DLC薄膜结构与性能的影响

目的探讨工作气压对管内等离子体放电光学现象以及Si/O-DLC(Si and O Incorporated DLC,Si/O-DLC)薄膜结构与性能的影响,为获得管内高质量、均匀的Si/O-DLC薄膜制备工艺技术提供指导。方法利用空心阴极等离子体增强化学气相沉积(Hollow Cathode Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,HC-PECVD)技术,通过改变工作气压在管内沉积Si/O-DLC薄膜。利用高速摄像机记录并对比不同工作气压下管内等离子体放电光学现象。通过SPM、XPS和Raman光谱仪表征不同工作气压下薄膜的三维立体表面形貌和微观结构,并利用SEM、纳米压痕仪以及划痕测试系统,对比研究管内Si/O-DLC薄膜的硬度、弹性模量、膜基结合力以及沿管轴向的薄膜厚度分布。结果随着工作气压的上升,管径向中心处亮斑面积和光强先增大增强后趋于缩小暗淡。在不同工作气压下,均能够在管内获得表面光滑的Si/O-DLC薄膜,粗糙度为3~10 nm。随着工作气压的上升,管内Si/O-DLC薄膜的平均厚度从1.42μm增大到2.06μm,且沿管轴向的薄膜厚度分布均匀度从24%显著提高到65%;不同工作气压下管内Si/O-DLC薄膜沿管轴向平均硬度呈先增大后减小的趋势,总体平均硬度可达(14±1)GPa。管内Si/O-DLC薄膜在工作气压上升到25 mTorr时获得较高的平均膜基结合力。结论改变工作气压能够显著影响管内壁Si/O-DLC薄膜的结构与性能,当工作气压为25 m Torr时,在管内获得均匀性最优、结合力较高的Si/O-DLC薄膜。

基于PDM的304不锈钢钝化膜生长动力学研究

研究了304不锈钢在不同pH溶液中钝化膜生长规律。结果表明,304不锈钢表面生长的钝化膜为n型半导体,钝化膜内施主密度与施加的电位成反比(除pH=13.4溶液);在钝化区内,稳态电流密度与施加的电位无关,而阻挡层的厚度随施加电位增加而增厚。采用点缺陷模型(PDM)对钝化区的电化学阻抗谱(EIS)数据进行分析计算,拟合出的参数可以用来预测样品随时间的腐蚀进程。计算结果表明,间隙阳离子是阻挡层的主要缺陷,缺陷的扩散系数约为10^(-19)cm^(2)·s^(-1)。

微弧氧化时间对锆合金表面MAO/Cr复合涂层结构与性能的影响

自福岛核事故发生以来,事故容错燃料包壳涂层受到了广泛关注。本工作通过微弧氧化(MAO)和高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)2种技术在Zirlo锆合金基体上制备了MAO/Cr复合涂层,研究了微弧氧化时间对MAO/Cr复合涂层微观结构、力学性能以及抗高温水蒸气氧化性能的影响。结果表明:当微弧氧化时间由3 min增加到9 min时,复合涂层表面(200)织构系数由83%增加到100%;随着微弧氧化时间的增加,复合涂层的断裂韧性呈先增大后减小的趋势,在6 min时达到峰值4.64 MPa·m^(1/2);经900℃水蒸气氧化1 h后,复合涂层体系均产生明显分层,其中MAO3min/Cr与MAO6min/Cr复合涂层增重幅度较小,而MAO9min/Cr复合涂层增重幅度较大,并在表截面形成大量微裂纹。当微弧氧化时间为6 min时,制备的复合涂层具有出色的力学性能和优异的抗高温水蒸气氧化性能。

碳含量对CrN:a-C多相复合涂层摩擦学性能的影响

分别以Cr靶、N_(2)与C_(2)H_(2)作为Cr源、氮源与碳源,采用多弧离子镀技术制备CrN:a-C多相复合涂层,通过调节C_(2)H_(2)的流量改变涂层中碳的含量,使用X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱(Raman)、场发射扫描电镜热场(FE-SEM)、多功能摩擦磨损试验机等手段研究了碳含量对其组成结构、机械性能以及摩擦学性能的影响。结果表明:随着涂层内碳含量的提高涂层非晶碳的结构特征逐渐明显和涂层致密性降低,使机械性能降低但是其结合力和硬度仍然比较高。在干摩擦和5W-30润滑油环境中涂层均呈现出较好的低摩擦与低磨损特性。碳含量和摩擦产物的影响,使摩擦系数和磨损率在两种环境中均先提高后降低。在C_(2)H_(2)流量为120 sccm的条件下在干摩擦和润滑油环境中涂层的摩擦系数分别为0.33和0.12,磨损率分别为1.3×10^(-5)mm^(3)/(N·m)和7.4×10^(-6)mm^(3)/(N·m),可为摩擦副部件提供有效的减磨抗磨防护作用。

SAF 2304双相不锈钢电化学性能及其近海腐蚀行为

通过光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、电化学实验,研究了双相不锈钢SAF 2304的电化学性能及实海腐蚀行为,并与碳钢做了对比。结果表明:碳钢的自腐蚀电位为-0.857 V_(SCE),维钝电流密度为87.30μA·cm^(-2),容抗弧半径较小,耐腐蚀性较差。SAF 2304在3.5%NaCl溶液的开路电位中长期稳定,自腐蚀电位为-0.369 V_(SCE),维钝电流密度为18.03μA·cm^(-2),容抗弧较大。实海暴露实验中,碳钢表面形成了疏松的腐蚀层,而SAF 2304表面在近海暴露前期形成了致密的金属氧化膜,并且随着暴露时间的增加,氧化膜表面附着了一层较为致密的钙镁沉积层和SiO_(2),与不锈钢结合紧密,具有一定保护作用,腐蚀形貌表现为均匀腐蚀,腐蚀速率远小于碳钢,耐蚀性好。

Cu掺杂非晶碳薄膜的电学性能及其载流子输运行为

以Cu-C拼接靶为靶材,用高功率脉冲磁控溅射制备出4种Cu含量(原子分数)低于10%的Cu掺杂非晶碳(a-C:Cu)薄膜,研究了Cu含量对a-C:Cu薄膜组分结构、电学性能以及载流子输运行为的影响。结果表明:随着非晶碳中Cu含量的提高,a-C:Cu薄膜中sp2-C的含量提高、团簇尺寸增大、薄膜电阻率、透过率和光学带隙均减小,费米能级向价带偏移。Cu含量为2.77%和3.88%的样品在150~250 K的载流子输运机制为Mott型三维变程跳跃传导,在250~350 K则为热激活传导;而Cu含量(原子分数)为5.4%和7.28%的样品在150~350 K均为Mott型三维变程跳跃传导。掺入Cu,可控制非晶碳薄膜的光学和电学性能。

复合高功率脉冲磁控溅射Ti的放电特性及薄膜制备

采用高功率脉冲磁控溅射与直流磁控溅射并联的复合高功率脉冲磁控溅射技术,研究直流磁控溅射部分耦合直流电流变化对Ti靶在Ar气氛中放电及等离子体特性的影响.采用表面轮廓仪、扫描探针显微镜、X射线衍射与纳米压痕仪对Ti薄膜厚度、结构特征以及力学性能进行表征.结果表明:耦合直流电流增加,靶平均功率增加,脉冲作用期间靶电流降低,等离子体电子密度增加;在耦合直流电流为2.0A时,等离子体电子密度和电子温度获得较大值,分别为2.98 V和0.93 eV;耦合直流电流增加,Ti薄膜沉积速率近似线性增加,粗糙度增加,硬度和弹性模量略有降低;相同靶平均功率时,采用复合高功率脉冲磁控溅射技术制备Ti薄膜与采用传统直流磁控溅射技术相比,沉积速率相当;靶平均功率650W时复合高功率脉冲磁控溅射所制Ti薄膜比传统直流磁控溅射所制Ti薄膜更加光滑,平均粗糙度降低1.32 nm,力学性能更加优异,硬度提高2.68GPa.

沉积时间对聚醚醚酮表面类金刚石薄膜的结构和性能的影响

采用直流磁控溅射技术在聚醚醚酮(PEEK)表面制备不同厚度的类金刚石(DLC)薄膜,研究了沉积时间对其表/界面结构、组分、疏水、力学和光透过性能的影响。结果表明,在平均沉积速率为5.71 nm/min的条件下,随着沉积时间的延长DLC薄膜的厚度线性增大、碳原子的致密性提高、界面互锁结构增强,而界面结合强度逐渐降低。沉积时间≤15 min时,基体结构的影响使拟合计算出的I_(D)/I_(G)值为0.23~0.25和sp^(2)/sp^(3)比值较小(0.58~0.74);沉积时间>15 min时基体的影响较小,I_(D)/I_(G)值突增大至0.81,sp^(2)/sp^(3)值也比较大(0.96~1.12)。沉积时间的延长使PEEK基体的温度逐渐升高,使膜内的sp^(2)/sp^(3)值逐渐增大。薄膜表面的氧含量先降低然后趋于平缓,部分C=O转化为C-O。随着沉积时间的延长,PEEK/DLC复合薄膜的硬度、弹性模量及防紫外线和阻隔红外线性能都逐渐提高,其表面粗糙度和疏水性的变化趋势是先提高后降低。沉积时间为32 min的薄膜,其表面粗糙度和水接触角达到最大值,分别为495 nm和108.29°。