KMS Lanzhou Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences
| 碳氢薄膜纳米结构调控及其超滑行为研究 | |
| Alternative Title | 无 |
曹忠跃
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| Thesis Advisor | 张俊彦 |
| 2019-05-22 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 工学博士 |
| Department | 先进润滑与防护材料研究发展中心 |
| Degree Discipline | 材料学 |
| Keyword | 非晶碳膜 纳米金刚石 类富勒烯结构 洋葱碳 超滑 a-C:H films Nano-diamond Fullerene-like structure Onion carbon Superlubricity |
| Abstract | 目前摩擦磨损仍然是导致机械系统高能耗和运动部件材料失效的主要形式之一。发展先进的润滑材料和技术，实现摩擦界面之间的超滑（近似于“零”摩擦）或超低摩擦是解决摩擦磨损问题的根本途径，也将成为科技工作者的重点研究内容和努力追求的目标。碳氢薄膜由于其制备方法简单快捷、沉积温度低，同时具有优异的理化性能（如高硬度、超低摩擦系数和磨损率、化学稳定耐腐蚀等），被认为是最有希望实现超滑工业化应用的新型固体润滑材料。本文针对非晶碳氢薄膜脆性大、内应力高、摩擦性能受环境影响较大等问题，在非晶碳网络中引入或设计了一些碳纳米结构（如金刚石、石墨烯片层和洋葱碳结构）来赋予碳氢薄膜优异综合性能（如高硬度、高弹性回复能力、低环境敏感性等），并通过构效关系探究了碳氢薄膜的摩擦磨损机制及其超滑机理，主要研究内容包括以下几个方面： 1、在非晶碳氢薄膜的制备过程中引入了纳米金刚石结构，制备出了纳米金刚石-非晶碳氢薄膜。纳米压痕实验表明引入金刚石结构有效提高了碳氢薄膜硬度和弹性恢复能力；摩擦磨损实验表明该薄膜在大气环境下的摩擦行为是一个应力激活的化学反应过程，其磨损机制符合“原子粘着磨损（atombyatomremoval）”机制，同时证实了洋葱碳结构摩擦膜在摩擦界面的形成是a-C:H薄膜在高接触压应力下产生超滑行为的主要原因。该研究成果首次证实了“原子粘着磨损”同样适用于宏观摩擦领域，为探究固体润滑材料宏观摩擦磨损行为提供了一种新途径，丰富了我们对a-C:H薄膜摩擦磨损行为的认识。 2、根据摩擦界面的结构演变及其纳米机械特征变化，证实了两种不同的应力诱导摩擦反应，揭示了碳氢薄膜在真空环境下摩擦磨损机制及其超滑机理，从一个新的角度解释了碳氢薄膜摩擦磨损行为多样性的内在原因，对开发真空环境下超滑碳氢薄膜具有重要的指导意义。 3、在类富勒烯碳氢（FLC:H）薄膜制备过程中，通过Ar离子轰击实现了对石墨烯片层结构原位调控。通过控制FLC:H薄膜中石墨烯片层大小能够实现对富勒烯碳氢薄膜机械与摩擦性能的调控；数值模拟分析表明该薄膜中石墨烯片层有一个临界尺寸约为11~13nm，赋予FLC:H薄膜超弹性与超低摩擦性能（弹性恢复系数高达98%，摩擦系数约为0.012）。这项工作为我们理解FLC:H薄膜的机械与摩擦行为提供了一个新的视角，有利于我们设计开发出更多具有超弹性和超润滑性的新型碳基材料。 4、成功制备了超硬兼具超弹性的纳米洋葱结构碳氢薄膜。纳米压痕实验表明该薄膜具有高达~50GPa的硬度和340GPa的弹性模量，在压入深度小于等于30nm的范围内表现出了极好的弹性恢复能力（弹性恢复率接近100%）。纳米划痕实验表明在接触应力小于~15GPa范围内、大气环境下该薄膜与金刚石探针之间能实现超滑（近似于“零”摩擦），几乎无磨损。这种纳米洋葱结构碳氢薄膜为实现超滑的工程应用提供了一种新的可能。 |
| Other Abstract | 无 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/25252 |
| Collection | 中国科学院兰州化学物理研究所 |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 曹忠跃. 碳氢薄膜纳米结构调控及其超滑行为研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2019. |
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