热稳定DLC薄膜的设计制备及其与纳米添加剂的协同润滑机理研究

发布时间：2020-08-10 22:37

【摘要】：固液复合润滑是指由固体润滑薄膜和液体润滑介质协同形成的复合润滑系统,其中由于类金刚石碳膜(Diamond Like Carbon,DLC薄膜)的高承载、低摩擦磨损优势,由DLC薄膜构成的固液复合润滑系统在汽车和航空航天领域有着广阔的应用前景。这种固液复合润滑系统在室温下能够表现出优异的润滑性能,但是在一些高温环境应用中却存在着润滑失效。其原因是非热力学平衡结构DLC薄膜的内应力较大,在高温环境下强度与硬度显著降低以及易石墨化,从而导致其热稳定性变差;另一方面,传统的小分子添加剂主要是针对金属摩擦副设计,而与DLC薄膜存在着匹配性不佳和高温易分解的问题。与小分子添加剂不同的是纳米添加剂有着易成膜,稳定性好,耐热性高的优点。为了满足DLC薄膜固液复合润滑系统在服役温度下的稳定性要求,提高系统的润滑效率,需从热稳定性固体润滑膜的结构设计以及添加剂与其润滑协同性两方面深入研究,以期为固液复合润滑系统中热稳定性DLC薄膜及纳米添加剂的设计制备提供理论指导和实际经验。本论文针对硅掺杂DLC薄膜进行热稳定性的结构优化设计,同时依据现有小分子添加剂与DLC薄膜不匹配的问题,探讨多种热稳定性纳米添加剂与掺硅DLC薄膜的协同润滑机制。具体研究内容如下:1.掺硅DLC薄膜的结构设计对其热稳定性和摩擦学性能的影响针对固液复合润滑系统的服役温度对掺硅DLC薄膜的成分和结构进行了优化设计。制备了一系列不同Si含量的单层DLC薄膜和拥有不同亚层模量比以及不同亚层厚度比的多层掺硅DLC薄膜,探究了Si含量、亚层模量比和厚度比对掺硅DLC薄膜热稳定性以及摩擦学性能的影响。通过往复循环摩擦试验机研究了掺硅DLC薄膜在不同使役温度下在聚α烯烃(PAO)基础油中的摩擦学性能,并对其力学性能和内部的价键结构进行了分析。结果表明,Si元素的掺杂有效的提高了掺硅DLC薄膜在高温环境下的热稳定性,这是因为高温能够促使薄膜中的硅更趋于与氧结合,而从硅碳键中解构,促成更多碳碳单键的形成,使得掺硅DLC薄膜的硬度获得了提高,同时在固液复合润滑系统中,摩擦诱导形成的硅氧化合物在摩擦副的表面形成润滑膜。我们也发现模量比为1.267的多层DLC薄膜的抗磨性能最优,这是因为DLC薄膜的硬度随模量比的增大而增加,高的亚层模量比更有利于阻止裂纹的延伸,并且在亚层相对厚度相等时使得每个单一亚层的厚度最低,这限制了裂纹在亚层内的进一步扩展,使得此时的多层膜抗磨性最佳。2.纳米添加剂与掺硅DLC薄膜在固液复合润滑系统中的协同润滑机制研究选取油溶性金属铜、二硫化钨和氧化锌三种纳米添加剂作为掺硅DLC薄膜固液复合润滑系统中的添加剂。系统研究在不同使役温度下,掺硅DLC薄膜与不同类型添加剂(金属单质、金属硫化物和金属氧化物)的协同润滑机制,同时与现有小分子添加剂二烷基二硫代磷酸锌(ZDDP)进行了对比。通过往复循环摩擦试验机对掺硅DLC薄膜进行了摩擦学性能的测试,并对钢球磨斑的元素面分布以及掺硅DLC薄膜磨痕处元素的化学状态和价键结构进行了分析。结果发现,Cu纳米添加剂在25℃有着最佳的减摩抗磨性能,摩擦系数和磨损率分别降低了25%和99%左右,这是因为其在室温环境下在摩擦副的表面形成了润滑膜;而在150℃,纳米添加剂都有效提高了掺硅DLC薄膜的抗磨性能,磨损率降低了90%左右,这与WS_2和ZnO纳米添加剂在高温环境下在摩擦副的表面形成了润滑膜有关。通过研究也发现,Cu纳米添加剂在25和150℃的综合性能最优;并且纳米添加剂相比于ZDDP小分子添加剂在150℃有效的提高了DLC薄膜的抗磨性能。3.纳米添加剂在掺硅DLC薄膜/成品油固液复合润滑系统中的摩擦学性能研究主要研究了不同类型的纳米添加剂(分别为ZnO、WS_2和Cu)在两种成品机油(广汽,5W40和北京现代,5W20)中与掺硅DLC薄膜在不同使役温度下的协同润滑性能。通过往复循环摩擦试验机对掺硅DLC薄膜进行了摩擦学性能测试,并对钢球磨斑进行了元素面分布分析。结果发现,纳米添加剂虽然没能改善掺硅DLC薄膜在成品油中的减摩性能,但是,在25℃,纳米添加剂却有效的提高了掺硅DLC薄膜的抗磨性能,尤其是Cu纳米添加剂的加入,磨损率降低了60%-70%;在150℃,掺硅DLC薄膜在广汽成品油中产生零磨损优异抗磨性能,与成品油显示出突出的配伍性。
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2
【图文】：

示意图,DLC薄膜,多层结构,示意图

. B. Cai 等人[59]对 a-C/a-C:Ti 纳米多层 DLC 薄膜的显微结构、力学性能和摩擦行了研究。结果显示，a-C/a-C:Ti 多层结构 DLC 薄膜的粘附强度、硬度和弹性较于纯 a-C 碳膜都有了显著的提高，并且该多层结构 DLC 薄膜的摩擦系数明纯 DLC 薄膜的。除此之外，a-C/a-C:Ti 纳米多层 DLC 薄膜并没有像纯 DLC 薄摩擦的过程中发生了磨穿现象。掺 Ti 多层膜力学性能提高的主要原因是在 D构中存在大量的纳米微晶 TiC 和亚层界面。纳米晶 TiC 的存在有利于 DLC 薄应变场的形成。而应变场与位错的相互作用增大了位错在 DLC 薄膜内部运动多层膜中界面的存在也是影响硬度非常重要的因素，因为它们可以抑制晶粒生位错运动；同时，这些界面也是能量耗散和裂纹偏转的场所，这样可以减少裂从而产生良好的韧性。. Zhang 等人[60]研究了软硬亚层交替沉积的多层 DLC 薄膜的力学性能和摩擦学果表明，对于亚层具有相似显微结构的多层 DLC 薄膜来说，在低偏压下沉积部，高偏压控制着 sp2键向 sp3键的转变；对于相邻亚层差别较大的多层 DLC

示意图,多层结构,示意图,薄膜

高耐磨性以及较小内应力的优点。其硬度和残余应力依赖于 DLC 薄膜的交替层数，交替层数并没有对多层结构 DLC 薄膜的摩擦行为有显著的影响。虽然 Si-DLC/DLC碳膜的摩擦系数随着湿度的增加而增大了，但是仍然低于纯 DLC 薄膜和 Si-DLC 薄这表明，多层结构 DLC 薄膜相比于单层结构 DLC 薄膜有着更加优异的减摩性能。

单层,DLC薄膜,元素面分布,薄膜

图 2-2 单层掺硅 DLC 薄膜在 25℃(a-e:三维图; f: 二维图)和150℃(g-k: 三维图; l: 二维图)条件下的磨痕轮廓图图 2-2 为单层掺硅 DLC 薄膜在 25℃和 150℃的磨痕轮廓图。从图中二维轮廓图中可以明显的看到，纯 DLC 薄膜与最佳单层掺硅 DLC 薄膜相比，在 25℃下虽然其犁沟深度稍浅于单层掺硅 DLC 薄膜的，但是，其宽度明显大于单层掺硅 DLC 薄膜的；在 150℃下，其犁沟的宽度和深度都要大于单层掺硅 DLC 薄膜的。2.3.2 单层掺硅 DLC 薄膜/PAO 系统摩擦学机制分析25℃COSiCrFe0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25-300-200-100aRLateral(μm)

【相似文献】