钨含量及摩擦条件对掺钨类金刚石膜摩擦磨损性能影响

发布时间：2020-10-26 07:01

　　 类金刚石膜(diamond-like carbon films,简称DLC膜)因其高硬度、高化学稳定性、良好的摩擦磨损性能而得到广泛应用。DLC膜中掺入W元素可以有效提高薄膜的硬度与耐磨性,改善DLC膜的综合摩擦磨损性能本文利用离子束沉积+磁控溅射制备掺钨DLC膜,通过改变钨靶溅射电流获得了不同W含量的掺钨DLC膜,探讨了W含量对DLC膜结构及性能的影响,并对W含量及摩擦条件与掺钨DLC膜摩擦磨损性能的关系进行了研究。结果表明: (1)利用离子束沉积+磁控溅射技术制备的掺钨DLC膜表面存在尺寸为几百nm的颗粒及凹坑等缺陷。随着溅射电流的升高,DLC膜中W含量先缓慢增加;但当溅射电流大于3.5A后,W含量随着溅射电流的增加而快速增加。随着W含量的增加,sp3-C含量先明显降低,当W含量增加到3.08at%后,W含量的继续增加对DLC中sp3-C含量影响不大;W含量不低于10.73at%的DLC膜中含有WC,且WC含量随着DLC膜的W含量增加而增加。 (2)随着W含量的增加,DLC膜的纳米硬度与弹性模量先逐渐降低;当W含量超过3.08at%后,DLC膜的纳米硬度与弹性模量随着W含量的增加而增加。膜/基结合力在钨含量为3.08at%时出现了极大值。掺杂适量的W元素可以改善DLC膜的韧性。 (3)在干摩擦条件下,W含量低于10.73at%的DLC膜摩擦系数随着载荷的增加先逐渐升高,然后保持一稳定值;W含量不低于24.09at%的DLC膜在高载荷时具有较低的摩擦系数。除了W含量为27.66at%的DLC膜,在载荷从0.98N增加到4.9N的过程中,磨损率在1.96N时表现出最低值;W含量为27.66at%的DLC膜磨损率随着载荷的增加明显增加。对于未掺杂DLC膜和钨含量为27.66at%的DLC膜,滑动速率对其摩擦系数影响不大;当W含量为1.66~24.09at%时,低的滑动速度有利于DLC膜获得低的摩擦系数。滑动速率对钨含量低于24.09at%的DLC膜磨损率影响不大;W含量为27.66at%的DLC膜磨损率随着载荷的增加明显增加。 (4)在PAO润滑条件下, DLC膜的磨擦系数随着W含量的增加有所降低;当W含量低于10.73at%时,W含量对DLC膜磨损率的影响不明显,但继续增加W含量会导致DLC膜磨损率的显著增大。在MoDTC润滑作用下,W含量对摩擦系数的影响较小;当W含量低于24.09at%时,DLC膜磨损率随着W含量增加先降低后增加。在ZDDP润滑作用下,DLC膜的磨擦系数随着W含量的增加逐渐降低;掺杂W元素会显著降低DLC膜的磨损率,但W含量的影响不大。在T307润滑条件下,W含量为3.08at%和24.09at%的DLC膜摩擦系数较低;对于W含量低于24.09at%的DLC膜,W含量为1.66at%时具有最高的磨损率。
【学位单位】：中国地质大学（北京）
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2010
【中图分类】：TB383.2;TH117.1
【部分图文】：

1-1 碳原子 sp3、sp2和 sp1杂化轨道空间分布示意图（J. Robertson, 200C 膜是一种亚稳态的非晶碳 DLC 膜，碳原子间主要以 sp2和 sp3。由于同时含有类似于金刚石的 sp3杂化形式和类似于石墨的可表现出介于金刚石和石墨之间的性质。sp2束的π电子决定 学性能，sp3价态则决定了 DLC 膜的力学性能，而 sp2/sp3的含量有关，同时对 DLC 膜的性能产生很大的影响（J. RobertsoC 膜基本上可分为两类：含氢的非晶态碳（a-C:H）和不含氢的前者又可分为类聚合物的非晶态碳（polymer-like carbon, 简称碳（diamond-like carbon, 简称 DLC）、类石墨碳（graphite-like c三种。Jacob 和 Moller 利用三元相图形象地表示了各种非晶碳如图 1-2 所示。该图不仅反映了 DLC 膜的 sp2和 sp3混杂特征表示了几种碳氢化合物之间具体的差别。sp3sp2sp1

sp3、sp2和 sp1杂化轨道空间分布示意图（J. R亚稳态的非晶碳 DLC 膜，碳原子间主要以含有类似于金刚石的 sp3杂化形式和类于金刚石和石墨之间的性质。sp2束的πp3价态则决定了 DLC 膜的力学性能，而同时对 DLC 膜的性能产生很大的影响（可分为两类：含氢的非晶态碳（a-C:H）为类聚合物的非晶态碳（polymer-like nd-like carbon, 简称 DLC）、类石墨碳（grob 和 Moller 利用三元相图形象地表示了示。该图不仅反映了 DLC 膜的 sp2和 s碳氢化合物之间具体的差别。sp3

J. Robertson, 1992）在研究 DLC 膜电学特性的构模型（Two Phase）。该模型认为：DLC 膜结镶嵌在 sp3杂化的基体中。在无氢 DLC 膜中（可能的 sp3相组成，形成连续团簇的边界；在是多数的 sp3杂化相，它可能是硬质含氢 DL能是软质类聚合物含氢 DLC 膜中的碳氢原子决定作用。ps 和 Thorp 提出了完全约束网络模型（Fully Cngus（Angus. J. C, 1988; Angus. J. C, 1991）等如图 1-3 所示，该模型认为：碳原子之间在充机械自由度为零，网络是完全约束的，简言之械自由度时，该随机共价网络是完全约束的。
【参考文献】

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本文编号：2856667