| 非晶碳基复合薄膜的真空摩擦机理及延寿研究 | |
| 吴艳霞 | |
| Subtype | 理学博士 |
| Thesis Advisor | 陈建敏 ; 李红轩 |
| 2014-05-20 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Department | 先进润滑与防护材料研究发展中心 |
| Degree Discipline | 物理化学 |
| Keyword | 非晶碳薄膜 软硬交替多层膜 纳米复合膜 真空摩擦学性能 Amorphous Carbon Film Soft-hard Alternated Multilayer Film Nanocomposite Film Vacuum Tribological Properties |
| Abstract | 随着空间技术的发展，对空间润滑材料的性能要求越来越高，要求这些材料在真空中具有超低摩擦、长寿命和高可靠性。非晶碳薄膜作为一种新型的固体润滑材料，在真空中显示了超低的摩擦系数，但其磨损寿命非常短，极大地限制了它在空间领域的应用。因此，系统研究非晶碳薄膜在真空中的摩擦学行为，明确它的真空摩擦磨损机理，并通过合理的选材和结构设计，开发出在真空中具有超低摩擦、长寿命和高可靠性的新型空间润滑材料，对解决空间技术发展所面临的关键润滑问题具有重要的理论意义和重大的应用价值。本论文通过非平衡磁控溅射法制备了非晶碳基薄膜，研究了薄膜在真空中的摩擦学行为，建立了它在真空中的摩擦磨损机理模型；进一步设计制备了多元耦合MoS2/非晶碳多层薄膜、MoS2/非晶碳纳米复合薄膜、软金属Ag单元掺杂以及软硬金属Ag、Ti共掺杂的非晶碳复合薄膜，并探讨了薄膜微观结构与其力学性能、真空摩擦学性能之间的关系。主要成果如下： 1. 含氢非晶碳(a-C:H)薄膜的磨损寿命随着真空度的提高而降低，当真空度达到5.0×10-3 Pa时，薄膜的摩擦学行为发生突变：摩擦系数非常低(0.005)，但磨损寿命很短(＜300 s)。通过考察不同气源比下所制备的a-C:H薄膜在真空中的摩擦学行为以及真空中不同摩擦测试条件下a-C:H薄膜的磨损寿命发现：在高真空中，薄膜超低的摩擦系数与H饱合表面悬键有关，而应力释放是导致薄膜超短寿命的关键因素。在高真空中，薄膜表面吸附的气体减少，而且由于真空中导热性的变化，摩擦接触面的温度要比在普通气氛中高。所以在加载力作用下，非晶碳薄膜更易通过应力释放到达稳态。进一步的薄膜退火实验以及静加载实验都证明了这个结论。 2. 设计制备了不同调制周期的MoS2/a-C:H多层薄膜，研究了调制周期对薄膜结构、机械性能以及摩擦学性能的影响。结果表明，软硬交替多层薄膜不但界面结合良好，而且多界面的设计有效地阻止了裂纹扩展。多层膜兼具了软层低剪切力和硬层高承载力的优异性能，在真空中的摩擦系数很低(0.025)，磨损寿命超过3×105 r。此外，MoS2/a-C:H纳米多层薄膜在多种环境气氛(真空、空气、氮气)中都具有优异的摩擦学性能，改善了 a-C:H薄膜的环境敏感性，提高了它的多环境适应性。 3. 基于纳米掺杂制备多元耦合结构的思想，将最具代表性的过渡金属硫化物空间润滑材料 MoS2分别掺到含氢和无氢非晶碳薄膜中，分别考察了MoS2 掺入量对薄膜结构和摩擦学性能的影响。实验结果表明：随着MoS2含量的增加，薄膜中逐渐有MoS2纳米晶形成，它并与非晶碳发挥了很好的协同润滑作用，延长了薄膜的真空磨损寿命，提高了薄膜多环境适应性。 4. 采用弱碳软金属银(Ag)掺杂a-C:H薄膜时，薄膜中有Ag纳米团簇形成，当Ag的掺入量为 3.55 at.%时，薄膜在保持a-C:H膜良好机械性能的同时，提高了真空磨损寿命。这与在真空摩擦过程中，接触表面生成低剪切力的富Ag层有关。进一步向薄膜中掺入强碳金属钛(Ti)，制备了多元耦合Ti(Ag)/a-C:H 薄膜，随着薄膜中Ti含量的增加，薄膜的结构从Ag、Ti 共溶 a-C:H膜到Ag、Ti复合 a-C:H薄膜再到Ag、TiC复合a-C:H薄膜，这种多元耦合薄膜具有优异的力学性能和在大气环境中低摩擦、耐磨损的特点。 |
| Subject Area | 材料科学与物理化学 |
| Funding Project | 磨损与表面工程课题组 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/6787 |
| Collection | 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 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 吴艳霞. 非晶碳基复合薄膜的真空摩擦机理及延寿研究[D]. 中国科学院大学,2014. |
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