| 非晶碳基薄膜在摩擦过程中的界面演化及摩擦机理研究 | |
| 王静静 | |
| Thesis Advisor | 薛群基 ; 张广安 |
| 2018-05-21 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 理学博士 |
| Degree Discipline | 物理化学 |
| Keyword | 非晶碳基薄膜,环境气氛,界面演化,摩擦学行为,摩擦机理 |
| Abstract | 非晶碳基薄膜由于其优异的机械性能和摩擦学性能而具有广泛的应用前景，但是该薄膜的摩擦学行为却表现出很强的环境敏感性，从而限制了其应用和发展。其中环境气氛是影响非晶碳基薄膜摩擦学行为的一个关键因素，虽然已有大量的研究和探索，但是其内在作用机制仍存在很多争议，缺乏系统全面的认识。本论文主要通过实验和理论计算相结合的方法，详细地研究了不同非晶碳基薄膜分别在真空、氧气、氮气和不同湿度大气中的界面演化及摩擦学行为，讨论了薄膜结构（氢含量和sp2碳含量）、气体分子和气体压力、测试条件等因素对界面演化及摩擦学性能的影响，并揭示了其摩擦机理。主要研究内容及结论如下： （1）本工作考察了薄膜结构（氢含量和sp2碳含量）对a-C:(H)薄膜摩擦学行为的影响。在高真空下，通过结合第一性原理计算揭示了sp2碳和氢原子都有利于a-C:(H)薄膜实现低摩擦。当薄膜中sp2碳含量较高时，摩擦系数随着氢含量的减少而减小，其中sp2碳润滑是降低摩擦的主要原因；当薄膜中氢含量较多时，摩擦系数随着氢含量的增加而降低，这主要归因于氢钝化。然而，相比于高真空下的摩擦学性能，薄膜在低真空下却表现出相对较低但不稳定的摩擦，这主要与低真空环境中残余气体有关，其中氧气与界面的摩擦化学反应会导致薄膜相对较高且不稳定的摩擦行为。 （2）通过上述研究表明非晶碳基薄膜的摩擦界面演化及摩擦学行为与环境气氛密切相关，然而“惰性”氮气对其摩擦的影响机制仍存在较多争议，因此需进一步澄清其机理。首先，通过对不同氢含量的a-C:H薄膜在氮气环境下摩擦学性能的研究发现，不同含氢量的薄膜表现出相同的低摩擦（~0.012）行为，这主要是石墨化转移膜与氢钝化协同作用的结果，即低氢含量薄膜主要通过氮气诱导形成的石墨化转移膜实现低摩擦，而高氢含量薄膜主要通过滑动界面的氢钝化实现低摩擦。鉴于氮气诱导形成的石墨化转移膜有助于实现低摩擦，因此本研究通过改变载荷、氮气压力和对偶材料来调控滑动界面上石墨化转移膜的形成过程，结果发现低载荷和高氮气压力有利于转移膜的形成，而且高氮气压力有利于提高薄膜的承载能力；而不同对偶材料表面转移膜的形成不仅受薄膜和对偶材料间本征相互作用的影响，而且还受薄膜和对偶材料间摩擦化学反应的影响。为进一步原位增强界面的石墨化过程，将具有催化石墨化作用的碳化硼（B4C）掺入到a-C:(H)薄膜中，结果表明这不仅降低无氢和低氢含量薄膜的摩擦，而且使高氢含量的薄膜实现超低摩擦（<0.01）和长效稳定的润滑性能。 （3）非晶碳基薄膜在不同湿度下的摩擦学行为主要取决于水分子的吸附，但是水分子的吸附程度与摩擦系数的定量关系尚未确定。因此本工作从气体吸附和脱附的角度量化了滑动界面上吸附水分子覆盖度的变化，建立了描述摩擦系数与气体压力关系的数学模型，它不仅定量预测了a-C:H和ta-C薄膜摩擦系数随水蒸汽压力的变化，而且它还适用于非晶碳基薄膜在异丁烷和甲烷等烃类气体环境下的摩擦预测。上述研究表明非晶碳基薄膜的摩擦学行为具有强烈的湿度敏感性，为改善这一行为以拓宽其在某些特定工况下的应用，开展了控制其摩擦学性能对湿度依赖性的研究，结果发现通过在ta-C薄膜表面涂覆h-BN纳米材料，利用其催化石墨化作用，不仅有效降低了ta-C/a-C:H摩擦体系的摩擦系数，而且还完全抑制了其摩擦学性能的湿敏性行为。 |
| Pages | 145 |
| Language | 中文 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/27338 |
| 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 | 王静静. 非晶碳基薄膜在摩擦过程中的界面演化及摩擦机理研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2018. |
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