KMS Lanzhou Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences
| 硬质相增强类金刚石碳基薄膜的强韧化结构设计及其摩擦学行为研究 | |
| Alternative Title | 无 |
| 何东青 | |
| Thesis Advisor | 薛群基 ; 张广安 |
| 2018-05-23 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 工学博士 |
| Department | 固体润滑国家重点实验室 |
| Degree Discipline | 材料学 |
| Keyword | 类金刚石碳基薄膜 纳米多层 纳米复合 强韧化 减摩抗磨 Diamond-like carbon film Nanomultilayer Nanocomposite Strengthening and toughening Friction-reduction and anti-wear |
| Abstract | 类金刚石碳基薄膜是目前唯一兼具高硬度与自润滑特性的固体润滑薄膜材料。强韧与润滑一体化碳基薄膜是机械装备关键零部件在重载、高速、冲击等苛刻工况下可靠与长寿命运行的重要保障。然而碳基薄膜的硬度和韧性相互制衡，如何实现类金刚石碳基薄膜集高硬度、高韧性、低摩擦和低磨损于一体是该领域公认的关键技术难题。本论文分别以高硬度、高热稳定性的B4C、TiB2和WC作为硬质增强相，从薄膜微观结构调控、材料特性协同和摩擦滑动界面优化三方面设计入手，围绕硬质相增强类金刚石碳基薄膜的强韧与润滑一体化，开展了高硬度、高韧性纳米多层/纳米复合薄膜的可控制备及其摩擦学行为研究。探索了薄膜微纳结构与其机械和摩擦学性能的关联性，揭示了该类复合薄膜材料的强韧化机制与摩擦学机理，为强韧与润滑一体化碳基复合薄膜体系的设计与制备提供新思路和新途径。主要结论如下： （1）B4C/a-C薄膜中B4C相与a-C基体均呈完全非晶态，无法从薄膜微纳结构设计的角度出发进行强韧与润滑一体化调控。通过膜层中B4C相含量的调控，薄膜硬度、韧性、内应力、摩擦系数及耐磨损性能均有明显提升，稳定摩擦系数可低至0.05。薄膜实现低摩擦时，滑动界面处并未检测到H3BO3生成，其优异的摩擦学性能归因于薄膜机械性能的提升及在特定湿度下对偶表面自发形成的石墨化碳质转移膜。薄膜机械性能的改善显著提升了其抗冲击磨损性能。 （2）通过调制比和调制周期的协调优化可实现TiB2/a-C纳米多层膜机械性能的显著提升，薄膜最高硬度可达18.6GPa，同时获得较高的韧性。此时，TiB2/aC纳米多层膜的综合摩擦学性能及抗冲击磨损性能亦达到最优值。层内纳米晶颗粒及大量层间界面对位错及微裂纹的钉扎作用是纳米多层膜强韧化的本质。单层过薄时位错易穿过层间界面移动且因强度不足而萌生微裂纹，而单层过厚时位错易在层内移动且层间界面数减小。因此，恰当的周期厚度及充足的层间界面数是薄膜获得高硬度与高韧性的关键。薄膜强韧性的改善及对偶磨斑表面连续致密碳质转移膜的形成导致其减摩抗磨性能提升，但其摩擦学行为最终仍由C/C滑动界面支配，并未从本质上实现滑动界面优化。 （3）对WC/a-C薄膜而言，纳米多层结构调控不仅能显著改善薄膜的机械性能，其硬度最高可达24GPa，并表现出良好的韧性，还能使薄膜中的WC相在摩擦诱导作用下发生氧化，转移到对偶磨斑表面形成富WO3转移膜，从而自发地与薄膜富C磨损面构筑WO3/C本征弱黏着滑动界面，使WC/a-C的稳定摩擦系数低至0.05，同时表现出优异的抗磨损性能。WC/a-C纳米多层膜同步实现强韧化结构调控与低摩擦滑动界面优化。 （4）纳米晶/非晶结构WC/a-C复合薄膜的强韧化效果远不如纳米多层结构，但在摩擦过程中仍能自发构筑WO3/C弱黏着滑动界面，表现出优异的摩擦学性能。高温（300~500℃）真空热处理导致薄膜中WC相发生部分相变，薄膜结构由二元复合（WC1-X/a-C）变为三元复合（WC1-X/W2C/a-C），这不仅有利于薄膜结构的致密化，还能显著提升薄膜硬度和韧性。多元纳米复合结构中大量的纳米晶颗粒及纳米晶/非晶界面对位错和微裂纹的钉扎作用是薄膜强韧性改善的主要原因。此外，三元复合结构中的W2C能够促进WO3/C低摩擦滑动界面的构筑，因此热处理温度越高，越有利于薄膜实现低摩擦。 |
| Other Abstract | 无 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/25273 |
| 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 | 何东青. 硬质相增强类金刚石碳基薄膜的强韧化结构设计及其摩擦学行为研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2018. |
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