中国科学院材料磨损与防护重点实验室/先进润滑与防护材料研究发展中心知识库

空间装备正朝着大型化、长时间运行的方向发展，对润滑材料的性能要求日益提高。类富勒烯碳薄膜内部具有笼状结构，赋予薄膜内部无或极少悬键结构特点，因而有望应用于空间运动部件中。影响类富勒烯碳薄膜空间应用因素主要有2个方面：薄膜本征性能（元素、结构）和空间环境（测试条件、辐照、高低温交变）。本文考察了氢元素、类富勒烯结构、测试条件和空间环境对类富勒烯碳薄膜作用机理及真空摩擦行为的影响，取得以下主要研究结果： （1）采用高频脉冲等离子体增强化学气相沉积，制备了类富勒烯碳薄膜，探讨了类富勒烯碳薄膜在高真空摩擦过程中的结构演变。结果表明，类富勒烯碳薄膜在高真空中表现出了超低摩擦（0.01），超低摩擦实现归因于薄膜内固有类富勒烯结构和摩擦膜中新形成类富勒烯结构，有效的降低了摩擦配副的直接接触和高黏着，赋予了类富勒烯碳薄膜在高真空下的低摩擦特性。 （2）基于氢含量对类富勒烯碳薄膜结构的影响，通过改变沉积气源流量比，制备了高硬度和高弹性恢复（25.9GPa和89%）类富勒烯碳薄膜。薄膜真空摩擦学性能与H含量成正相关。在高真空下（2.0×10-4Pa）薄膜表现出了超滑现象（0.005），主要原因为气体分子与薄膜表面的化学作用减弱，H起到了很好的钝化表面悬键作用，碳碳间的相互作用最弱，使得薄膜的摩擦系数较低。 （3）考察了空间辐照和高低温交变对类富勒烯碳薄膜作用机理和摩擦学性能影响。空间辐照后，薄膜中奇元环含量减少，sp2向sp3杂化碳转化，摩擦系数增大。原子氧辐照后薄膜中氧化物并未明显增多；紫外辐照后C-O键和C=O键均增加，而C=O键增加更加明显。类富勒烯碳薄膜在低温摩擦时，表现出了0.005的超滑现象；在高真空高温环境下，摩擦表面易发生结构转变，薄膜中sp2含量增加，加剧H溢出，摩擦系数增大。 （4）通过设计二硫化钼和类富勒烯碳薄膜配副体系，在3N条件下实现了真空环境中摩擦系数0.001超滑现象。超滑原因为在高接触应力作用下，在摩擦界面形成了多层石墨烯纳米带和碳洋葱结构，进而降低体系的表面能，形成非公度接触或滚动效应，从而明显降低体系的摩擦系数。同时将该体系成功应用于空间运动轴承表面，实现了轴承表面的超低摩擦系数。