超润滑非晶碳膜中程有序纳米结构的调控及性能相关性研究

发布时间：2020-06-26 23:44

【摘要】：含氢非晶碳薄膜(a-C:H)由于高硬度、低摩擦、耐磨损和化学惰性等优良特性,作为新型的固体润滑材料引起了国内外的研究热潮。然而其存在韧性差、承载低等问题,很大程度上影响了服役寿命和可靠性。本论文从碳膜中程有序纳米结构设计调控入手来改善上述不足,基于本课题组前期发现的溅射靶面存在的外场诱导生长效应,以金属Ni作为催化靶材,通过对Ar与CH_4比例、靶材形貌、溅射电流等制备参数的控制研究,实现了碳膜中类富勒烯特殊纳米结构的可控生长;探讨了薄膜中程有序纳米结构与其机械性能、摩擦学性能之间的相关性。主要研究结果如下:1.适中的Ar与CH_4气源比例可以保证靶面处于临界中毒点,外场诱导生长效应得以实现;靶面纳米化形貌可以大幅提高催化效率;小的溅射能量可以减少再溅射过程中对前驱体的破坏。通过三个关键参数的控制,在靶面形成了具有完整富勒烯洋葱纳米球结构的前驱体。然后,前驱体进一步溅射到基底上形成了大量富勒烯卷曲纳米结构镶嵌的非晶碳复合薄膜材料。该研究进一步验证了外场诱导生长效应的正确性和对金属催化源的普适性,为碳膜中特殊中程有序纳米结构的调控制备提供新的思路和方法。2.类富勒烯结构的生成大幅提高了碳薄膜的强韧一体化力学性能和摩擦学性能。使得碳膜材料在高接触应力(3.2 GPa)下的磨损寿命不受影响,仍然可以保持1.5×10~5转。原因是类富勒烯纳米结构将二维平面内优异的力学强度扩展到三维,增强了碳网络结构,这证明了通过非晶碳薄膜中键价空间构造的调控可以改善材料的强韧一体化力学性能,为非晶碳薄膜性能提升提供了新的思路。3.设计了相同材料配副,而接触方式不同的摩擦试验,当钢球与镀a-C:H膜的钢平板对摩时,a-C:H可以转移到对偶形成均匀的转移膜,可以实现超润滑性能(摩擦系数0.009);而当镀a-C:H薄膜钢球与钢平板对摩时,a-C:H不能转移到对偶形成转移膜,摩擦系数高(0.362)。证明了转移膜的形成是a-C:H薄膜实现超润滑性能的必要条件。
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383
【图文】：

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图 1.1 碳的杂化键Fig. 1.1 The hybridised bonding of carbon图 1.2 非晶碳的三元相图. 1.2 Ternary phase diagram of bonding in amorphous carbon-hydrogen a石薄膜的结构

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图 1.2 非晶碳的三元相图1.2 Ternary phase diagram of bonding in amorphous carbon-hydrogen石薄膜的结构一步地理解与分析 DLC 薄膜的各种性能与其微结构之种不同的模型来描述 DLC 薄膜的结构，使用较广泛的抑制网络模型。he two-phase model）[16,17]：该模型首先由 Robertson 和 O sp2杂化碳嵌埋在 sp3杂化碳中。其中，第一相是π 键团簇且可以镶嵌在第二相中；而第二相是少数相，是由缺陷续的团簇边界且第二相多数为 sp3杂化相。因此，第一相性能，而第二相决定了 DLC 薄膜优良的机械性能。模型（fully constrained random networks model）[18-20]：e 提出，然后 Angus 等为描述含氢 DLC 薄膜的结构，进

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