掺杂和界面调控对含氢碳薄膜超滑行为的影响规律研究
发布时间：2021-07-10 03:09
随着日渐提高的机械装置高精密、长寿命和安全服役要求,运动副的摩擦磨损成为制约其发展的瓶颈之一。为了解决上述问题,越来越多的薄膜材料被开发和研究。其中,类金刚石薄膜由于其低摩擦、高硬度、耐腐蚀等性能,尤其是在超滑方面的优势,近年来受到广泛关注。本文针对非晶含氢碳薄膜超滑的局限性等问题,研究了含氢碳薄膜本征结构对摩擦学的影响规律,提出了界面诱导实现超滑的新思路。主要取得的进展有:（1）对比研究了氮掺杂和硅掺杂对含氢碳薄膜的影响行为,指出了N的引入易于在大气环境中同钢球接触表面反应,形成碳化铁和氧化铁等纳米颗粒,进一步加速磨损,并导致了高的摩擦系数;而Si元素的引入,抑制了湿度对碳薄膜的破坏,促进了摩擦界面有序碳结构的形成,是其实现超滑的主要原因。（2）对于非晶含氢碳薄膜在大气不能实现超滑的问题,提出了诱导摩擦界面纳米结构有序化的新思路,以镀Au钢球为摩擦副,在摩擦剪切力作用下诱导界面形成有序碳纳米带结构,实现了宏观尺度的超滑。（3）进一步的,采用二硫化钼钢球,与非晶含氢碳薄膜形成摩擦体系,实现了低至0.003的摩擦系数。微观结构研究显示杂乱的二硫化钼层状片段在摩擦力作用下有序排列并长大,是...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
碳原子的杂化形式
ㄏ蛄ρ?阅埽?⑶铱梢院苋菀自诓慵浼羟校?虼丝?以起到润滑作用[11]。1971年，英国剑桥大学J.Skinner[12]等人首次观测到了W探针与石墨在微观尺度上的超滑现象。随后，在上世纪末，多壁碳纳米管(MWCNT)的纳米尺寸超滑性能首次被A.Zettl[13]等人发现，直到2013年，Wei[14]等人将多壁碳纳米管的超滑特性提升到了厘米级别。同轴多壁碳纳米管是一种非常简单的几何结构，它将层间运动限制在一个单一的（轴向）具有刚性的固定层间取向的方向。刚度抑制剪切诱导的位错滑移和小尺寸结构保证了实现几乎无缺陷结构的可能性。图1.2碳纳米管滑动示意图以及TEM照片Figure1.2SchematicdiagramofcarbonnanotubeslipandTEMimage关于多壁碳纳米管的超滑，现主要有非公度接触说和范德华力说。非公度接触的概念最初由日本科学家Hirano和Shinjo在上世纪末所提出[15]，如图1.3[16]。即理想化的同一两片完整的规则晶面，使其中一面呈一定角度与另一面接触，使晶格取向不匹配，从而造成接触面之间的绝热运动，并且使得每一个原子受到的作用合力几乎为零。在这种情况下，晶面之间的摩擦力几乎消失。这是由于二维的原子面上不可避免地会出现缺陷以及杂质，这些特征使得晶面之间出现了不稳
硕士学位论文5定的区域。当两片原子面以完全匹配的晶格取向相互接触滑动时，就会造成使原子经过不稳定的区域，使原子受力不平衡，导致能量的损失。非公度接触实质上就是利用原子高自由度运动形式避免与不稳定因素的接触，使摩擦力消失的过程。而碳纳米管本质上就是弯曲的石墨烯卷，大多数多壁碳纳米管其内壁与外壁都满足非公度接触，达到超滑。同时另一个说法认为多壁碳纳米管的超滑与壁之间的范德华力作用有关，当内壁碳纳米管在滑动过程中，由于范德华力的作用使得中段原子受到的推动力和阻力相平衡，极大地减少了摩擦力。图1.3结构超滑示意图（a）、（b）公度接触；（c）、（d）非公度接触Figure1.3Diagramofstructuresuperlubrication(a)，(b)commensuratecontanct;(c)，(d)incommensuratecontact从第一次观察到原子尺度摩擦和理想无摩擦滑动概念的提出之后，原子面间非公度接触和弱范德华力成了研究人员追求超滑零摩擦的主要途径。作为另一种碳的同素异形体，C60结构（也称富勒烯）的球形结构也成了理想的研究材料。如图1.4[17]，C60结构先后被引入石墨层隙中，双层石墨烯以及二维材料二硫化钼层中，并都发现了极低的摩擦系数（＜0.002）。这种Graphene/C60/Graphene结构中，C60与石墨烯片之间的范德华力正好可以使C60在石墨烯间流畅地滑动或扭转，起到分子轴承的作用。此外这种范德华力也使整个结构处于稳定状态[18-20]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属基固体自润滑复合涂层及其制备技术研究进展[J]. 李博雅,曹志强. 表面技术. 2017(09)
[2]超润滑:“零”摩擦的世界[J]. 郑泉水,欧阳稳根,马明,张首沫,赵治华,董华来,林立. 科技导报. 2016(09)
[3]Ti3SiC2的加入对Ag-MoS2-graphite复合材料力学及摩擦磨损性能的影响[J]. 闫淑萍,韦尧兵,韩杰胜,马文林,郭铁明,孟军虎. 摩擦学学报. 2015(05)
[4]空间固体润滑材料的研究现状[J]. 马国政,徐滨士,王海斗,司红娟. 材料导报. 2010(01)
[5]层状固体润滑薄膜的研究进展[J]. 康嘉杰,李国禄,王海斗,刘家浚,徐滨士,朱丽娜. 金属热处理. 2007(04)
[6]类金刚石碳膜的结构特性与耐磨性能[J]. 贺小明,李文治,李恒德. 真空科学与技术. 1994(01)
[7]固体润滑材料在我国空间技术中的应用研究[J]. 聂明德,党鸿辛. 固体润滑. 1982(03)
[8]我国固体润滑材料的发展概况[J]. 周国民,党鸿辛. 固体润滑. 1981(02)
本文编号：3275063
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
碳原子的杂化形式
ㄏ蛄ρ?阅埽?⑶铱梢院苋菀自诓慵浼羟校?虼丝?以起到润滑作用[11]。1971年，英国剑桥大学J.Skinner[12]等人首次观测到了W探针与石墨在微观尺度上的超滑现象。随后，在上世纪末，多壁碳纳米管(MWCNT)的纳米尺寸超滑性能首次被A.Zettl[13]等人发现，直到2013年，Wei[14]等人将多壁碳纳米管的超滑特性提升到了厘米级别。同轴多壁碳纳米管是一种非常简单的几何结构，它将层间运动限制在一个单一的（轴向）具有刚性的固定层间取向的方向。刚度抑制剪切诱导的位错滑移和小尺寸结构保证了实现几乎无缺陷结构的可能性。图1.2碳纳米管滑动示意图以及TEM照片Figure1.2SchematicdiagramofcarbonnanotubeslipandTEMimage关于多壁碳纳米管的超滑，现主要有非公度接触说和范德华力说。非公度接触的概念最初由日本科学家Hirano和Shinjo在上世纪末所提出[15]，如图1.3[16]。即理想化的同一两片完整的规则晶面，使其中一面呈一定角度与另一面接触，使晶格取向不匹配，从而造成接触面之间的绝热运动，并且使得每一个原子受到的作用合力几乎为零。在这种情况下，晶面之间的摩擦力几乎消失。这是由于二维的原子面上不可避免地会出现缺陷以及杂质，这些特征使得晶面之间出现了不稳
硕士学位论文5定的区域。当两片原子面以完全匹配的晶格取向相互接触滑动时，就会造成使原子经过不稳定的区域，使原子受力不平衡，导致能量的损失。非公度接触实质上就是利用原子高自由度运动形式避免与不稳定因素的接触，使摩擦力消失的过程。而碳纳米管本质上就是弯曲的石墨烯卷，大多数多壁碳纳米管其内壁与外壁都满足非公度接触，达到超滑。同时另一个说法认为多壁碳纳米管的超滑与壁之间的范德华力作用有关，当内壁碳纳米管在滑动过程中，由于范德华力的作用使得中段原子受到的推动力和阻力相平衡，极大地减少了摩擦力。图1.3结构超滑示意图（a）、（b）公度接触；（c）、（d）非公度接触Figure1.3Diagramofstructuresuperlubrication(a)，(b)commensuratecontanct;(c)，(d)incommensuratecontact从第一次观察到原子尺度摩擦和理想无摩擦滑动概念的提出之后，原子面间非公度接触和弱范德华力成了研究人员追求超滑零摩擦的主要途径。作为另一种碳的同素异形体，C60结构（也称富勒烯）的球形结构也成了理想的研究材料。如图1.4[17]，C60结构先后被引入石墨层隙中，双层石墨烯以及二维材料二硫化钼层中，并都发现了极低的摩擦系数（＜0.002）。这种Graphene/C60/Graphene结构中，C60与石墨烯片之间的范德华力正好可以使C60在石墨烯间流畅地滑动或扭转，起到分子轴承的作用。此外这种范德华力也使整个结构处于稳定状态[18-20]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属基固体自润滑复合涂层及其制备技术研究进展[J]. 李博雅,曹志强. 表面技术. 2017(09)
[2]超润滑:“零”摩擦的世界[J]. 郑泉水,欧阳稳根,马明,张首沫,赵治华,董华来,林立. 科技导报. 2016(09)
[3]Ti3SiC2的加入对Ag-MoS2-graphite复合材料力学及摩擦磨损性能的影响[J]. 闫淑萍,韦尧兵,韩杰胜,马文林,郭铁明,孟军虎. 摩擦学学报. 2015(05)
[4]空间固体润滑材料的研究现状[J]. 马国政,徐滨士,王海斗,司红娟. 材料导报. 2010(01)
[5]层状固体润滑薄膜的研究进展[J]. 康嘉杰,李国禄,王海斗,刘家浚,徐滨士,朱丽娜. 金属热处理. 2007(04)
[6]类金刚石碳膜的结构特性与耐磨性能[J]. 贺小明,李文治,李恒德. 真空科学与技术. 1994(01)
[7]固体润滑材料在我国空间技术中的应用研究[J]. 聂明德,党鸿辛. 固体润滑. 1982(03)
[8]我国固体润滑材料的发展概况[J]. 周国民,党鸿辛. 固体润滑. 1981(02)
本文编号：3275063
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