| 类金刚石碳基薄膜在烷烃气氛下的摩擦学行为研究 | |
| Alternative Title | 无 |
陈琳
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| Thesis Advisor | 薛群基 ; 张广安 |
| 2021-06-04 | |
| 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 | 类金刚石碳基薄膜 烷烃气氛 摩擦机理 界面演化 |
| Abstract | 烃类气体（天然气、液化石油气）在工业、航空航天具有广阔的应用前景，但服役于烃类环境的滑动部件（如管道中往复式压缩机的活塞和密封组件、发动机的喷油器）由于摩擦作用而磨损，从而导致烃类气体的泄露，造成社会安全问题和经济损失。类金刚石碳基（DLC）薄膜由于其优异的摩擦学及机械性能备受关注，但其在烃类环境下的摩擦学行为影响因素尚不明确。本论文主要通过实验和理论方法相结合，系统、全面的分析烷烃环境下，DLC薄膜界面演化过程，揭示薄膜结构（氢含量以及杂化碳键合方式）、实验条件（载荷）、气体环分境（气体压强）等条件对薄膜界面演化及摩擦学行为的影响，从而调控滑动界面演化过程获得低摩擦、低磨损薄膜，并对薄膜摩擦系数与气体压强的关系进行量化析。主要研究内容和结论如下：（1）探究了薄膜结构（氢含量以及sp2杂化碳）以及测试条件（载荷）对非晶碳基薄膜在甲烷环境下摩擦学行为的影响。其中低氢含量a-C:H薄膜摩擦系数最高，磨损最严重，而高氢含量a-C:H薄膜表现出较低的摩擦系数和磨损率，这是因为sp2杂化碳的有序度、氢含量、甲烷吸附影响薄膜摩擦学性能；进一步通过镀膜工艺参数及热处理改变a-C薄膜中sp2杂化碳的有序度，有利于在摩擦过程中界面形成石墨化转移膜而降低薄膜的磨损率；摩擦过程中由于甲烷解离的甲基和氢化学吸附在滑动界面上，a-C薄膜表面的吸附质排列方式随着载荷变化而发生改变，能量耗散的来源从吸附质之间的相互作用转变为吸附质与碳悬键或吸附质之间的相互作用，因此a-C薄膜摩擦学性能的载荷依赖性分段符合赫兹弹性接触模型；a-C:H薄膜的滑动界面相互作用也受滑动界面上吸附质的控制，其摩擦学性能的载荷依赖性符合赫兹弹性接触模型，同时氢的引入增大滑动界面的排斥力，有利于低摩擦、低磨损滑动界面的形成，一方面降低了薄膜的摩擦学性能对载荷的敏感度，另一方面显著提高了薄膜承载能力。（2）通过改变摩擦副、薄膜的结构以及摩擦化学产物可以对非晶碳基薄膜的摩擦学性能进行调控。首先，通过改变摩擦副调控摩擦过程中的界面，控制非晶碳基薄膜在甲烷环境中的摩擦学性能，其中a-C/ta-C配副的滑动界面由于甲烷的吸附而钝化滑动界面的碳悬键降低摩擦系数（μ~0.069），ta-C/a-C配副的滑动界面由于甲烷的过量吸附在摩擦过程中形成类聚合物结构而不利于降低摩擦系数（μ~0.129），a-C/a-C与ta-C/ta-C配副的滑动界面由于对偶的石墨化影响甲烷在滑动界面的吸附，摩擦系数分别升高至0.095、0.129，ta-C/9Cr18和a-C/9Cr18配副的滑动界面由于过度石墨化，摩擦系数高达0.165、0.213。其次，利用多层结构薄膜的特殊层内剪切赋予薄膜低摩擦、低磨损的特性，其中调制周期为70.2 nm的Cr/a-C多层膜表现出相对较低的摩擦系数与磨损率，并且在摩擦过程中滑动界面产生的a-C镶嵌Cr纳米晶体团簇的结构可显著降低多层膜滑动界面的摩擦；第三，非晶碳基薄膜在摩擦过程中形成石墨化转移膜并快速形成稳定的滑动界面可实现摩擦系数与磨损率的降低，其中B4C掺杂a-C:H薄膜中引入B元素可提高薄膜中sp2杂化碳的有序度，在摩擦过程中能够快速生成有序的sp2杂化碳，缩短跑合期，降低非晶碳基薄膜的磨损，同时摩擦系数也显著降低。（3）非晶碳基薄膜的摩擦学行为对甲烷以及其它多种气体的压强变化均表现出较强的依赖性，因此从气体吸附的角度定量化探究气体压强与非晶碳基薄膜摩擦学性能的关系有助于理解非晶碳基薄膜在烷烃气体环境下的摩擦学行为。其中甲烷环境下，随着压强的增加甲烷在a-C:H薄膜表面由化学吸附转变为物理吸附，其摩擦系数先减小后增加；而在异丁烷环境下，非晶碳基薄膜的摩擦系数随着气体压强的增加逐渐增大，当吸附达到饱和后（a-C薄膜为10000 Pa，a-C:H薄膜为5000 Pa），摩擦系数基本不变。基于非晶碳基薄膜在不同甲烷压强下的摩擦系数变化提出了摩擦过程中多层气体吸附的动力学方程，并结合Langmuir气体吸附公式，可描述甲烷环境下非晶碳基薄膜滑动界面的气体吸附过程，并采用气体吸附和去除的数学模型实现定量化描述摩擦系数与压强的关系，而且该模型不仅适用于非晶碳基薄膜在异丁烷、水蒸气、氢气、氧气等环境下的摩擦学性能描述，也适用于以气体吸附为主导的摩擦体系。 |
| Other Abstract | 无 |
| MOST Discipline Catalogue | 工学 |
| Pages | 180 |
| Language | 中文 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/29120 |
| 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 | 陈琳. 类金刚石碳基薄膜在烷烃气氛下的摩擦学行为研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2021. |
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