| 陶瓷基高温润滑复合薄膜的制备、调控及宽温域润滑机理研究 | |
| 鲁成 | |
| Thesis Advisor | 贾均红 ; 谢二庆 ; 易戈文 |
| 2019-11-26 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 工学博士 |
| Degree Discipline | 材料学 |
| Keyword | 硬质陶瓷基薄膜，结构调控，宽温域，摩擦学，润滑机理 Hard ceramic-based film, Structure regulation, Wide temperature range, Tribology, Lubrication mechanism |
| Abstract | 针对现代航空、航天、核技术等高新技术对宽温域连续润滑薄膜的需求，本论文利用温度“自适应”润滑设计原理，开展了宽温域润滑硬质陶瓷基薄膜的设计、制备、组分调控及宽温域润滑机理研究。以CrN基硬质薄膜为基础相，制备了掺入了Ag，Mo及Ag/Mo润滑相的CrN基系列复合薄膜，并进一步制备了含有Mo，V和Ag元素的氧化物复合薄膜，深入研究了多组元复配、晶粒尺寸、物相界面等对薄膜宽温域摩擦学性能的影响，阐明复合薄膜在不同温度下摩擦磨损机理及摩擦化学反应的演变规律，得到如下主要结论： （1）制备Ag掺杂的CrN/Ag复合薄膜，并研究了不同Ag含量对CrN/Ag复合薄膜的宽温域摩擦磨损性能的影响，结果表明：CrN薄膜中Ag元素含量为8.7 at.%时，薄膜内出现固溶体结构，硬度达到最高约为19.76 GPa。随着Ag元素含量的升高，薄膜结构逐渐由致密转变为疏松，硬度和结合力下降。在RT和500 ℃摩擦条件下，Ag的掺杂并不能有效降低薄膜摩擦系数，薄膜磨损机理分别以磨粒磨损和粘着磨损为主。但复合薄膜硬度的提高会明显改善室温抗磨损性能，且复合薄膜在500 ℃摩擦条件下仍然保持较低的磨损率。 （2）制备CrMoN/MoS2复合薄膜，并研究了不同Mo含量对CrMoN/MoS2复合薄膜的宽温域学性能的影响，结果表明：Mo元素掺入量增加导致CrN/MoS2薄膜的硬度逐渐降低。当Mo含量为18.5 at.%时，复合薄膜中的固溶体结构使薄膜膜基结合力达到最高（为32.7 N）。Mo元素的掺杂使薄膜在高温条件下的磨损机理转变为明显的粘着磨损。700 °C下，Mo含量为18.5 at.% 的CrMoN/MoS2复合薄膜磨损率最低，归因于高温摩擦表面摩擦化学反应生成MoO2、MoO3和Cr2O3组成的连续润滑膜，起到了明显的润滑和减磨的作用。Mo元素的掺杂能明显提高CrN基薄膜的高温抗磨损性能。 （3）制备并研究了不同Ag含量的CrMoN/Ag复合薄膜的宽温域摩擦磨损性能，结果表明：CrMoN/Ag复合薄膜由CrN，Mo2N和Ag组成，为明显的多晶结构。Ag的掺杂使薄膜硬度逐渐降低，但是Ag元素含量为10.7 at.%时，薄膜中的晶格畸变可以使薄膜膜基结合力达到最高，约为32.9 N。在500 °C摩擦条件下，复合薄膜摩擦系数随着Ag含量的升高逐渐降低，最低约为0.29（Ag ~ 27.2 at.%），明显低于CrMoN/MoS2复合薄膜（COF ~ 0.45）。与CrMoN/MoS2（Mo：18.5 at.%）复合薄膜的磨损率（~ 7.0×10−6 mm3·(N·m)−1）相比，CrMoN/Ag（Ag：2.8 at.%）复合薄膜的磨损率（~ 6.0×10−6 mm3·(N·m)−1）略有下降。这是由于复合薄膜中的Mo和Ag在高温条件下生成了具有优异润滑性能的钼酸银。薄膜在高温条件下的磨损机理为粘着磨损。 （4）制备了Mo-V-Ag-O纳米复合薄膜，并研究了PLD制备中氧气流量和基底温度对Mo-V-Ag-O复合膜的微观结构、力学性能和摩擦学性能的影响。进一步研究优化复合薄膜在25 ~ 500 ℃的摩擦表面物相变化及磨损机理，结果表明：氧气流量越大，薄膜结构越疏松。随着基底温度的升高，复合薄膜晶粒尺寸增大、硬度明显的提高，且薄膜内有非晶相的晶态转变。在基底温度400 °C，氧气流量为30 ml/min条件下制备的 Mo-V-Ag-O复合薄膜（H：1.09 GPa, E：51.12 GPa）摩擦系数随着摩擦温度的升高逐渐降低，在500 °C降至最低，约为0.24，归因于高温下薄膜摩擦表面摩擦化学反应生成的VnO2n±1、MoO3、AgVO3等氧化物润滑相提供了有效的润滑。 （5）制备了Mo-V-Ag-O/NiCr-Mo-Ag-O纳米复合双层薄膜，研究了薄膜的微观结构、宽温域（25 ~1000 ℃）摩擦学性能及宽温域下摩擦表面物相变化及磨损机理。结果表明：NiCr-Mo-V-Ag-O复合薄膜为多晶结构，主要是由Ag，MoO2，V2O3和NiCr组成。复合薄膜的硬度及弹性模量分别约为4.9 GPa和153.5 GPa，与Mo-V-Ag-O复合薄膜相比得到了明显的提升。复合薄膜的摩擦系数随温度的升高先降低后升高，磨损机理逐渐由磨粒磨损转变为粘着磨损。复合薄膜在800 °C条件下摩擦系数最低为0.28，归因于高温摩擦化学反应生成的AgVO3，Ag2Mo2O7，Ag2MoO4以及NiMoO4润滑相的协同润滑。 |
| Language | 中文 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/27323 |
| Collection | 固体润滑国家重点实验室（LSL） |
| 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 | 鲁成. 陶瓷基高温润滑复合薄膜的制备、调控及宽温域润滑机理研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2019. |
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