类金刚石薄膜固体超滑的研究现状和挑战

发布时间：2021-10-30 23:45

　　类金刚石（Diamond-like carbon,DLC）薄膜,具有高硬度、高化学惰性及低摩擦磨损等特性,特别是在一定条件下的超滑特性（摩擦系数低于0.01）,为真正的近零摩擦和磨损的实现提供了可能性,因此在固体润滑领域展现出巨大的应用前景。从元素掺杂种类和键合结构特点,概述了DLC薄膜的种类多样性,归纳了不同DLC薄膜的力学及摩擦学特性。通过对比分析不同DLC薄膜在不同环境条件下的摩擦学行为,阐述了DLC薄膜超滑实现的环境敏感性,其中薄膜和环境中氢原子的作用十分关键,同时提出Si等元素掺杂改善超滑环境敏感性的可行方案。重点介绍了3种DLC超滑机理——界面钝化理论、界面石墨化理论以及转移膜形成理论,这三者均具有一定的局限性,如何更深入且全面认识DLC超滑仍是一个科学难题。最后强调了先进界面检测和表征技术对探秘DLC超滑态界面组成的重要性,并对今后亟需开展的深入研究方向进行了展望。 

【文章来源】：表面技术. 2020,49(06)北大核心EICSCD

【文章页数】：12 页

【部分图文】：

a-C:H薄膜（AC8:34%H,AC5:40%H）在超高真空UHV环境下的摩擦曲线和磨痕光镜图[33]

研究者通常利用金属/非金属元素掺杂来改善a-C:H在潮湿大气环境下的摩擦适应性[10,12,19,45]。Chen等[45]合成了不同氢含量的a-C:H:Si薄膜（Si原子数分数为8.9%～9.9%），并在潮湿空气环境（22%RH）下进行了摩擦实验（载荷2 N，速度15 cm/s），结果如图3所示。研究表明，掺杂Si元素后，a-C:H在潮湿空气环境中的摩擦性能明显得到改善，未掺杂的a-C:H薄膜在潮湿空气中的摩擦系数一般大于0.1，而掺杂Si后（原子数分数～9%），其在潮湿空气中经历短时间的跑合后可实现超低的摩擦系数（小于0.03），而当a-C:H:Si薄膜中的氢的原子数分数控制在20%～35%时，其在潮湿空气中甚至可以实现超滑，如图3b所示。研究发现，Si掺杂能够改善a-C:H在湿度环境中的摩擦性能，主要是其滑移界面在相互摩擦剪切过程中，能发生摩擦化学反应，生成亲水的硅氧基团（Si—OH），并吸附着边界水膜，即形成极易剪切的有序化纳米结构滑移界面[20,45]。Koshigan等[12]采用PECVD方法制备了a-C:H:Si:O薄膜，发现Si和O的掺杂可以明显改善a-C:H薄膜在氢气及氧气环境下的摩擦性能，但改善效果与环境条件密切相关（H2或O2的压强大于103 Pa时，摩擦系数明显下降）。图3 a-C:H:Si薄膜（Si原子数分数为8.9%～9.9%,H原子数分数为17%～36%）与SUJ2钢球对磨副在大气环境下的摩擦行为（湿度(22±2)%RH)[45]

a-C:H:Si薄膜（Si原子数分数为8.9%～9.9%,H原子数分数为17%～36%）与SUJ2钢球对磨副在大气环境下的摩擦行为（湿度(22±2)%RH)[45]

【参考文献】：
期刊论文
[1]自组织分层金属掺杂类金刚石薄膜的研究进展[J]. 崔丽,孙丽丽,郭鹏,柯培玲,汪爱英.  表面技术. 2019(11)

硕士论文
[1]低摩擦系数DLC膜的制备及摩擦性能的研究[D]. 牟魁峰.哈尔滨工业大学 2006



本文编号：3467644