常用碳基固体润滑薄膜的研究现状与展望
发布时间：2021-03-25 05:39
首先从碳基固体润滑薄膜的应用需求与成本效益出发,探讨了研究碳基固体润滑薄膜的迫切要求和重要意义,然后对类金刚石（DLC）薄膜、类富勒烯（FLC）薄膜及石墨烯薄膜三类最常用的碳基固体润滑薄膜的研究现状进行了较详细的介绍。其中,重点介绍了DLC薄膜的三种减摩抗磨机理,探讨了掺杂元素改性对DLC薄膜硬度、摩擦系数和磨损率等多个方面的影响,并指出外部因素（基体材料、过渡层和应用环境等）对DLC薄膜性能的重要作用。探讨了掺氢、掺氟和掺氮对FLC薄膜构性转变和摩擦学性能的影响。总体来说,氟掺杂导致FLC结构变化,并显著改变薄膜硬度;掺氮会诱导类富勒烯微结构的增加;掺氢FLC薄膜热处理后可达到超润滑状态。总结了石墨烯薄膜制备工艺的发展、石墨烯基复合薄膜的摩擦学性能和石墨烯薄膜在不同基体材料的应用。最后,指出了碳基润滑薄膜领域亟待解决的关键难题,并对未来的研究方向做出了预测。
【文章来源】：表面技术. 2020,49(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：17 页
【部分图文】：
DLC薄膜摩擦后不同位置的拉曼光谱[4]
通常认为，引起碳膜摩擦系数发生变化的作用力主要包括π-π键、范德华力、静电吸引力和毛细作用力[6-7]。DLC薄膜表面的碳原子与最近的三个键结合，但是第四个键是自由或悬浮的，在大气中，这些悬浮键通常被水分子、氧、氢终止或钝化，结合为化学键和物理键。当处于高真空，一些吸附物（特别是那些物理结合的）被解吸，而那些化学结合的物种可能仍然留在表面。对这些表面进行滑动接触实验时，通过机械磨损或热脱附（摩擦加热）去除吸附在顶部表面的物质。因此，表面碳原子的强键被释放，并可与滑动界面另一侧的原子进行共价键相互作用，产生很强的附着力，从而产生高的摩擦力。当存在氧、氢和水分子时，薄膜表面碳原子的键被钝化，共价键相互作用的程度变得不那么明显，即使有些键暴露出来，也会被吸附分子迅速地重新分解，因此表现为低摩擦（如图2所示）。与氧环境中相比，在氢环境中的摩擦增加更加缓慢，并且相对较小，可能是由于碳与这两种物质之间的键强度不同（C—H键能为413 kJ/mol,C—O键能为358 kJ/mol）。其他学者也证实了真空中高氢DLC薄膜的低摩擦来源于氢原子对碳原子悬空键的钝化作用，高真空退火脱氢会使摩擦系数大幅度提高[9]。DLC薄膜在摩擦过程中转移膜的形成主要受对摩副材料硬度的影响。当DLC薄膜与高硬度材料组成摩擦副时，在摩擦过程中，会由类金刚石结构相变为不定形碳，而不是石墨，不定形碳又会向对摩副转移形成转移膜，降低摩擦系数[10]。然而，转移膜也可能来源于石墨化后的转移（如图3所示）[11]。C.Bindal[12]对滑动摩擦进行观测也得到了相似结果，在过渡层观察到了石墨/不定形碳结构，较高摩擦速度缩短了达到低稳态摩擦系数的时间，这归因于石墨的形成。
DLC薄膜在摩擦过程中转移膜的形成主要受对摩副材料硬度的影响。当DLC薄膜与高硬度材料组成摩擦副时，在摩擦过程中，会由类金刚石结构相变为不定形碳，而不是石墨，不定形碳又会向对摩副转移形成转移膜，降低摩擦系数[10]。然而，转移膜也可能来源于石墨化后的转移（如图3所示）[11]。C.Bindal[12]对滑动摩擦进行观测也得到了相似结果，在过渡层观察到了石墨/不定形碳结构，较高摩擦速度缩短了达到低稳态摩擦系数的时间，这归因于石墨的形成。1.2 元素掺杂对DLC薄膜摩擦学性能的影响
本文编号：3099134
【文章来源】：表面技术. 2020,49(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：17 页
【部分图文】：
DLC薄膜摩擦后不同位置的拉曼光谱[4]
通常认为，引起碳膜摩擦系数发生变化的作用力主要包括π-π键、范德华力、静电吸引力和毛细作用力[6-7]。DLC薄膜表面的碳原子与最近的三个键结合，但是第四个键是自由或悬浮的，在大气中，这些悬浮键通常被水分子、氧、氢终止或钝化，结合为化学键和物理键。当处于高真空，一些吸附物（特别是那些物理结合的）被解吸，而那些化学结合的物种可能仍然留在表面。对这些表面进行滑动接触实验时，通过机械磨损或热脱附（摩擦加热）去除吸附在顶部表面的物质。因此，表面碳原子的强键被释放，并可与滑动界面另一侧的原子进行共价键相互作用，产生很强的附着力，从而产生高的摩擦力。当存在氧、氢和水分子时，薄膜表面碳原子的键被钝化，共价键相互作用的程度变得不那么明显，即使有些键暴露出来，也会被吸附分子迅速地重新分解，因此表现为低摩擦（如图2所示）。与氧环境中相比，在氢环境中的摩擦增加更加缓慢，并且相对较小，可能是由于碳与这两种物质之间的键强度不同（C—H键能为413 kJ/mol,C—O键能为358 kJ/mol）。其他学者也证实了真空中高氢DLC薄膜的低摩擦来源于氢原子对碳原子悬空键的钝化作用，高真空退火脱氢会使摩擦系数大幅度提高[9]。DLC薄膜在摩擦过程中转移膜的形成主要受对摩副材料硬度的影响。当DLC薄膜与高硬度材料组成摩擦副时，在摩擦过程中，会由类金刚石结构相变为不定形碳，而不是石墨，不定形碳又会向对摩副转移形成转移膜，降低摩擦系数[10]。然而，转移膜也可能来源于石墨化后的转移（如图3所示）[11]。C.Bindal[12]对滑动摩擦进行观测也得到了相似结果，在过渡层观察到了石墨/不定形碳结构，较高摩擦速度缩短了达到低稳态摩擦系数的时间，这归因于石墨的形成。
DLC薄膜在摩擦过程中转移膜的形成主要受对摩副材料硬度的影响。当DLC薄膜与高硬度材料组成摩擦副时，在摩擦过程中，会由类金刚石结构相变为不定形碳，而不是石墨，不定形碳又会向对摩副转移形成转移膜，降低摩擦系数[10]。然而，转移膜也可能来源于石墨化后的转移（如图3所示）[11]。C.Bindal[12]对滑动摩擦进行观测也得到了相似结果，在过渡层观察到了石墨/不定形碳结构，较高摩擦速度缩短了达到低稳态摩擦系数的时间，这归因于石墨的形成。1.2 元素掺杂对DLC薄膜摩擦学性能的影响
本文编号：3099134
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/3099134.html
