| 金属管件内表面防腐耐磨一体化 DLC薄膜的构筑 | |
| Alternative Title | 无 |
| 魏徐兵 | |
| Thesis Advisor | 张广安 |
| 2022-05-09 | |
| 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，等离子体增强化学气相沉积，管内表面，防腐耐磨一体化，异形件 |
| Abstract | 金属管状工件被广泛使用于石油化工、装备制造、海洋工程、航空航天和国防军事等诸多领域。然而，由于其服役于苛刻环境中极易由于腐蚀与磨损的共同作用而导致金属管状工件内表面损伤，严重缩短了管件的使用寿命，造成安全事故和经济损失。类金刚石碳基（DLC）薄膜由于其独特的性能组合、掺杂机制被认为是金属管状工件内表面理想的防护材料之一。但是如何在金属管状工件内表面均匀沉积具有防腐耐磨一体化的DLC薄膜仍然是一个巨大的挑战。本论文基于等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术，通过采用将空心阴极放电与等离子体浸没离子注入相结合的办法系统地研究了金属管内表面防腐耐磨一体化DLC薄膜均匀沉积的可行性和沉积技术的通用性、掺杂对DLC薄膜性能的影响及优化、DLC薄膜的功能化、异形管件内表面DLC薄膜的均匀沉积和管件内表面DLC薄膜沉积技术的延伸（用于复杂形状工件表面DLC薄膜的沉积）。主要的研究内容和结论如下： （1）探究了电源放电特性和影响电源放电的关键参数对金属管内表面沉积的DLC薄膜的性能及其轴向均匀性的影响。首先，采用课题组自主研发的直流脉冲电源在长径比为10:1的304不锈钢（304SS）管内表面沉积防腐耐磨一体化DLC薄膜，研究发现脉冲频率是调控管件内表面DLC薄膜性能及均匀性的关键参数之一，脉冲频率为500 Hz条件下在管内表面沉积的DLC展现出最好的轴向均匀性，并且DLC薄膜硬度可达12.9 GPa、厚度接近7 μm、腐蚀电流密度相较于基底降低2个数量级、摩擦系数和磨损率低至0.05和1.60×10-7 mm3∙N-1∙m-1，为后续的研究工作提供技术指导；进一步采用高功率脉冲磁控溅射（HIPIMS）电源在长径比13.5:1的304SS管内表面同样也获得了具有良好均匀性的DLC薄膜，其厚度可达10 μm、硬度可达15.0 GPa、腐蚀电流密度降低了一个数量级、摩擦系数和磨损率低至0.06 和2.55×10-7 mm3∙N-1∙m-1，并且其厚度沿管道轴向呈现逐渐增加的趋势，为更长管件内表面DLC薄膜的均匀沉积提供了一种可能性；此外，在304SS、6063铝合金（6063Al）和铸铁（CI）管内表面均实现了具有高的硬度，优异的耐腐蚀性能和摩擦学性能的DLC薄膜的沉积。 （2）针对复杂多变的工况，对DLC薄膜的性能和多样化功能提出了高的要求，而掺杂是增强DLC薄膜性能和赋予其多样化功能的有效措施之一。因此研究了F和Si元素单元或多元共掺杂对DLC薄膜结构、机械、耐蚀和摩擦学性能的影响，F和Si元素掺杂能进一步提高DLC薄膜的耐腐蚀和摩擦学性能，其中F和Si共掺杂的DLC（FSi-DLC）薄膜展现出最好的耐蚀性和最低的摩擦系数（0.043），主要是因为Si元素掺杂导致薄膜中硅氧化物的形成，并且F元素的掺杂可以提高硅掺杂DLC（Si-DLC）薄膜的耐磨损性能；超疏水表面对于增强耐蚀性和流体减阻均具有增益效果，通过引入F和Si元素降低DLC薄膜的表面能和工艺调控（降低抽速）在DLC薄膜表面形成了具有微/纳米级粗糙度的非晶SiOx疏水化合物，在304SS管内表面实现了超疏水DLC薄膜的沉积。为进一步优化DLC薄膜的耐腐蚀性能，沉积了Si和N共掺杂的DLC（SiN-DLC）薄膜，其耐腐蚀性能优于Si-DLC和氮掺杂DLC（N-DLC）薄膜，这是由于DLC薄膜中Si元和N元素极易形成稳定的“网状”的氮化硅，并且展现出比现有报道的DLC薄膜更强的耐腐蚀性能；人体体液是极其苛刻的环境，基于SiN-DLC薄膜所展现的优异防腐性能，进一步对其生物腐蚀、摩擦学性能和生物相容性进行考察，SiN-DLC薄膜展现出优异的生物摩擦学和生物腐蚀性能，同时SiN-DLC薄膜具有优异的细胞活性，是一种极具潜力用于人体运动部位人工植入物的防护膜。 （3）鉴于实际应用中的管状工件形状较为复杂，通过降低脉冲频率和多层结构的设计在具有双曲率（轴向和径向）内径为30 mm和45 mm 的U型管内表面沉积了DLC薄膜，相较于基底，所沉积的DLC薄膜的硬度可达12.7 GPa，其腐蚀电流密度降低1~2个数量，展现出更强的耐腐蚀性能和良好的摩擦学性能，其摩擦系数和磨损率分别低至0.04和2.66×10-7 mm3∙N-1∙m-1，除此之外所沉积的DLC薄膜在U型管轴向获得了理想的均匀性。针对传统异形件表面DLC薄膜存在的问题，基于管件内表面DLC薄膜沉积技术，我们提出了一种的异形件表面全方位DLC薄膜沉积技术，通过巧妙的设计在待沉积工件外围增置一个同轴的圆筒型辅助阴极，由于空心阴极效应在圆筒内产生高密度等离子体可完全浸没工件从而实现DLC薄膜的沉积，目前已成功应用于齿轮、轴承、刀具等异形件表面DLC薄膜的沉积，为异形件表面DLC薄膜全方位快速沉积提供了一种新策略，是一种极具潜力、可推广的异形件表面DLC薄膜沉积方法。 |
| Other Abstract | 无 |
| MOST Discipline Catalogue | 工学 |
| Pages | 232 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/30065 |
| 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 | 魏徐兵. 金属管件内表面防腐耐磨一体化 DLC薄膜的构筑[D]. 北京. 中国科学院大学,2022. |
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