掺硅类金刚石薄膜中硅含量对ZDDP摩擦化学反应膜生长的影响
发布时间：2021-12-02 19:01
掺硅类金刚石薄膜（Si-DLC）由于其优异的耐磨性、低摩擦性、热稳定性、化学惰性,近年被认为是发动机零部件的独特候选材料,常被用于工况较差的零件中。但Si元素含量的不同,在极大程度上影响Si-DLC薄膜的硬度、内应力、热膨胀系数等理化特性,使薄膜拥有不同的摩擦学性能。挤压抗磨添加剂二烷基二硫代磷酸锌（ZDDP）,由于其优异抗磨性能,多年来一直被用于汽车的发动机活塞环中。基于宏观研究,ZDDP分子在摩擦界面由于压力、热量或者其他作用下诱导发生分解,生成玻璃态磷酸盐,并逐渐从斑块状演变成连续的保护表面的摩擦反应膜,从而降低磨损、粘结,减少金属和其他材料的直接接触。要知道传统的摩擦改性剂和抗磨添加剂是否能与SiDLC形成持久的薄膜,并有效地工作就显得至关重要。现有宏观表征技术无法以进入滑动界面,阻碍了对所起作用的摩擦学过程的研究。因此本实验拟采用不同硅含量的Si-DLC样品,设计不同滑移次数、温度、接触应力,通过使用原子力显微镜（AFM）进行原位的摩擦实验,并对摩擦反应膜的生长与性质进行原位分析,来探究Si元素的含量对于Si-DLC薄膜在ZDDP润滑性能的影响。研究结果表明:1)接触应力的增...
【文章来源】：中国地质大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
sp3，sp2杂化C的结构及DLC薄膜的结构示意图
2类金刚石薄膜由于其结合方式多样性，导致了其具有多种多样的存在形式，有些类金刚石薄膜中含氢量可高达50at%（a-C:H），其他含氢量也可以小于1%（a-C）。Robertson等人（RobertsonJ，2002）对其结构进行了进一步的研究表明，DLC薄膜的结构是由其sp3杂化键、sp2杂化键以及由于制备过程中掺杂的H元素之间形成的空间网络决定的，如图1-2所示（JacobW,1993）。DLC薄膜中的sp3杂化键形成四面体配位键,决定了DLC薄膜的弹性模量、硬度等力学性能；sp2杂化键形成三面体配位键，决定了DLC薄膜的光和电学性能等；H原子的存在会影响DLC薄膜中sp3和sp2杂化键的比例，从而导致薄膜的结构和性能发生变化。图1-2DLC薄膜三元相图Fig1-2.TernaryPhaseDiagramofDLCFilmsCasiraghiC等人（CasiraghiC，2005）采用Raman图谱对类金刚石薄膜的结构进行了研究，他们发现在Raman图谱中，在两个不同波数位置处出现了典型的双峰结构（D峰和G峰）的曲线，他们将这种曲线作为DLC薄膜的特征峰：sp2键对应于1332cm-1处的D峰，sp3键对应于1580cm-1处的G峰；且在1060cm-1处存在一个对应C-C振动的sp3峰。近十年来，类金刚石碳薄膜由于其特殊的结构及优异的性能，在解决工程问题方面具有广阔的应用前景，被用于许多技术应用。而汽车工业目前被认为是主要受益者中主，在发动机部件表面涂覆DLC薄膜为汽车工业提供了显著的改进，特别是在降低因能量损失而导致的燃油消耗方面。DLC涂层可以减少摩擦，特别是在润滑不良的情况下。由于DLC涂层具有高硬度、高耐腐蚀性和化学稳定性，因此其耐磨性也得到了改善（SaikkoV，2001）。此外，在边界润滑条件下，
5图1-3Si-DLC薄膜在发动机中使用实例:(a)气缸套;(b)气缸套放大图;(c)活塞销Fig.1-3ApplicationofSi-DLCfilminengine:(a)cylindersleeve,(b)enlargeddrawingofcylindersleeve,(c)pistonpinJiang等人（JinlongJ，2010）制备了6.8,3.6,2.2,1.0,0.5at.%五种不同Si含量的DLC薄膜，从AFM图中可以得出，随着DLC薄膜中Si含量的增加，薄膜的粗糙程度逐渐增大；从其摩擦系数图中可以得出，当Si含量相对较少时薄膜的摩擦系数随着硅含量的增加而减少，而当Si含量超过一定值之后，摩擦系数反而随着Si含量的增加而增大。证明Si-DLC薄膜中Si的含量在很大程度上影响着薄膜的形貌及其表面性质。图1-4不同Si含量下Si-DLC薄膜表面AFM形貌图:(a)6.8at.%;(b)3.6at.%;(c)2.2at.%;(d)1.0at.%;(e)0.5at.%（JinlongJ，2010）Fig.1-4AFMmorphologyofSi-DLCfilmswithdifferentSicontents:(a)6.8at.%;(b)3.6at.%;(c)2.2at.%;(d)1.0at.%;(e)0.5at.%(JinlongJ,2010)
【参考文献】：
期刊论文
[1]掺硅类金刚石膜的摩擦学性能研究[J]. 兰惠清,崔俊豪,加藤孝久. 真空科学与技术学报. 2011(01)
[2]磷掺杂类金刚石薄膜的制备与性能研究[J]. 王进,Sunny C.H.Kwok,陈俊英,杨萍,黄楠,P.K.Chu. 真空科学与技术学报. 2005(02)
本文编号：3529007
【文章来源】：中国地质大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
sp3，sp2杂化C的结构及DLC薄膜的结构示意图
2类金刚石薄膜由于其结合方式多样性，导致了其具有多种多样的存在形式，有些类金刚石薄膜中含氢量可高达50at%（a-C:H），其他含氢量也可以小于1%（a-C）。Robertson等人（RobertsonJ，2002）对其结构进行了进一步的研究表明，DLC薄膜的结构是由其sp3杂化键、sp2杂化键以及由于制备过程中掺杂的H元素之间形成的空间网络决定的，如图1-2所示（JacobW,1993）。DLC薄膜中的sp3杂化键形成四面体配位键,决定了DLC薄膜的弹性模量、硬度等力学性能；sp2杂化键形成三面体配位键，决定了DLC薄膜的光和电学性能等；H原子的存在会影响DLC薄膜中sp3和sp2杂化键的比例，从而导致薄膜的结构和性能发生变化。图1-2DLC薄膜三元相图Fig1-2.TernaryPhaseDiagramofDLCFilmsCasiraghiC等人（CasiraghiC，2005）采用Raman图谱对类金刚石薄膜的结构进行了研究，他们发现在Raman图谱中，在两个不同波数位置处出现了典型的双峰结构（D峰和G峰）的曲线，他们将这种曲线作为DLC薄膜的特征峰：sp2键对应于1332cm-1处的D峰，sp3键对应于1580cm-1处的G峰；且在1060cm-1处存在一个对应C-C振动的sp3峰。近十年来，类金刚石碳薄膜由于其特殊的结构及优异的性能，在解决工程问题方面具有广阔的应用前景，被用于许多技术应用。而汽车工业目前被认为是主要受益者中主，在发动机部件表面涂覆DLC薄膜为汽车工业提供了显著的改进，特别是在降低因能量损失而导致的燃油消耗方面。DLC涂层可以减少摩擦，特别是在润滑不良的情况下。由于DLC涂层具有高硬度、高耐腐蚀性和化学稳定性，因此其耐磨性也得到了改善（SaikkoV，2001）。此外，在边界润滑条件下，
5图1-3Si-DLC薄膜在发动机中使用实例:(a)气缸套;(b)气缸套放大图;(c)活塞销Fig.1-3ApplicationofSi-DLCfilminengine:(a)cylindersleeve,(b)enlargeddrawingofcylindersleeve,(c)pistonpinJiang等人（JinlongJ，2010）制备了6.8,3.6,2.2,1.0,0.5at.%五种不同Si含量的DLC薄膜，从AFM图中可以得出，随着DLC薄膜中Si含量的增加，薄膜的粗糙程度逐渐增大；从其摩擦系数图中可以得出，当Si含量相对较少时薄膜的摩擦系数随着硅含量的增加而减少，而当Si含量超过一定值之后，摩擦系数反而随着Si含量的增加而增大。证明Si-DLC薄膜中Si的含量在很大程度上影响着薄膜的形貌及其表面性质。图1-4不同Si含量下Si-DLC薄膜表面AFM形貌图:(a)6.8at.%;(b)3.6at.%;(c)2.2at.%;(d)1.0at.%;(e)0.5at.%（JinlongJ，2010）Fig.1-4AFMmorphologyofSi-DLCfilmswithdifferentSicontents:(a)6.8at.%;(b)3.6at.%;(c)2.2at.%;(d)1.0at.%;(e)0.5at.%(JinlongJ,2010)
【参考文献】：
期刊论文
[1]掺硅类金刚石膜的摩擦学性能研究[J]. 兰惠清,崔俊豪,加藤孝久. 真空科学与技术学报. 2011(01)
[2]磷掺杂类金刚石薄膜的制备与性能研究[J]. 王进,Sunny C.H.Kwok,陈俊英,杨萍,黄楠,P.K.Chu. 真空科学与技术学报. 2005(02)
本文编号：3529007
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