基于Ti-DLC薄膜的固-液复合体系摩擦学性能研究
发布时间：2022-01-15 00:44
固-液复合润滑技术是通过利用固体润滑材料与液体润滑材料间的协同效应,来提高润滑效果,改善极端工况下摩擦磨损的一种重要手段。类金刚石碳基薄膜（diamond-like carbon films,DLC films）具有硬度高、摩擦系数低、耐磨性好、化学稳定性等优点,被认为是固体润滑膜的有力竞争者。然而,由于DLC薄膜的表面能低、化学惰性大,使其难以与传统添加剂发生反应。金属掺杂可以提高DLC薄膜表面活性,使添加剂更加容易吸附在摩擦副表面。传统添加剂的设计针对金属摩擦副,与DLC薄膜不匹配,且多为硫磷化合物污染环境,因此急需发展环境友好的针对DLC薄膜固-液复合润滑体系的润滑添加剂。本论文通过磁控溅射技术在高速钢表面沉积了Ti-DLC薄膜、合成了烷基化氧化石墨烯,氮化碳和氧化石墨烯/氮化碳纳米复合材料作为润滑添加剂,探讨了Ti-DLC薄膜在润滑添加剂环境中的摩擦学行为及其协同润滑机理。主要研究内容及结论如下:（1）通过化学接枝法成功制备了烷基化的氧化石墨烯（GO-ODA）,氧化石墨烯基面的氧官能团和十八胺（ODA）的氨基通过共价相互作用形成长烷基链,促进了其在PAO-6基础油中稳定分散性。...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
sp3，sp2和sp1杂化键[15]
硕士学位论文3图1.1sp3，sp2和sp1杂化键[15]类金刚石碳（Diamond-likecarbon,DLC）是一种含有相当比例sp3键合的亚稳态形式的非晶碳[16]。根据非晶碳基薄膜的sp3、sp2键和H含量可以绘制出类金刚石薄膜的三元相图，见图1.2。该图不仅反映了DLC薄膜中sp3和sp2键的混杂特征，而且十分直观地表现出几种具体的碳膜之间的结构差别。按照碳膜中sp3杂化碳原子含量、氢含量以及掺杂元素等，DLC薄膜分为以下几类：无氢非晶碳（a-C）、含氢非晶碳（a-C:H）、四面体非晶碳（ta-C）、金属掺杂非晶碳（a-C:Me）、四面体含氢非晶碳（ta-C:H）、金属掺杂含氢非晶碳（a-C:H:Me）、改性含氢非晶碳（a-C:H:X）等[17]图1.2非晶碳基薄膜的三元相图[18]DLC薄膜处于热力学非平衡状态，其原子排列呈短程有序、长程无序的立体网络结构，短程有序的范围很小，主要体现在DLC薄膜的sp3键和sp2键的混杂结构。图1.3描绘了由sp2、sp3和H组成的DLC薄膜的结构示意图，整体上来看，类金刚石碳表现为典型的非晶结构，除了氢原子与碳原子成键外，还有部分氢以原子或者分子的形式被
基于Ti-DLC薄膜的固-液复合体系摩擦学性能研究4嵌在碳基质内。此外，类金刚石碳膜内部原子密度不均，有些地方会出现被称为“自由体积”的微孔洞。目前主要有两种类金刚石碳的结构模型，一种完全限制无规网络模型[19,20]和另一种两相模型[21,22]。完全限制无规网络模型的基本观点是，在非晶态随机共价网络中，当原子的平均抑制数与原子的机械自由度相等时，碳原子在无规网络中形成足够的交联，则认为网络是被完全抑制的。当配位数增加时，一方面，由于生成更多的共价键而降低了体系能量；另一方面，由于键长和键角的畸变会导致额外的应变能。当平均抑制数等于网络允许的自由度数时，这两方面的效应恰好相互抵消，从而使网络处于稳定状态。这意味着一个非晶共价网络只能支持有限量的键长和键角畸变。因而，可以为a-C:H薄膜中的碳原子定义一个最佳的平均配位数，进而对给定氢含量的a-C:H薄膜定义最佳的sp3/sp2键合比[23]。如果抑制数高于原子的自由度数，则该网络就是过抑制的，薄膜就会具有高的硬度和内应力；反之，网络就是欠抑制的，薄膜就会松软。两相模型也称为团簇模型，该模型认为DLC薄膜由三配位的sp2杂化碳团簇镶嵌在四配位的sp3杂化基质中构成。四配位的sp3杂化碳可以形成高度交联的三维碳网络，而三配位的sp2杂化碳通过形成平面六边的芳香环从而构成类似于石墨层状结构的小团簇，这些形成的小石墨团簇则会在某一方向上作为端点而终止网络。根据两相模型，sp3杂化碳决定了DLC薄膜的力学性质，使得具有较高的硬度，sp2杂化碳决定其光学和电学性质。由于该模型可以解释很多实验结果而得到了广泛的应用。图1.3类金刚石碳薄膜的结构模型[19]
【参考文献】：
期刊论文
[1]Black phosphorus as a new lubricant[J]. Wei WANG,Guoxin XIE,Jianbin LUO. Friction. 2018(01)
[2]氟硅油的润滑性能[J]. 姜克娟,张旭. 航空材料学报. 2011(04)
[3]磁控溅射技术及其发展[J]. 李芬,朱颖,李刘合,卢求元,朱剑豪. 真空电子技术. 2011(03)
[4]磁控溅射镀膜技术的发展[J]. 余东海,王成勇,成晓玲,宋月贤. 真空. 2009(02)
[5]环境友好润滑油的发展及其摩擦学研究现状[J]. 孙玉彬,胡丽天,薛群基. 摩擦学学报. 2008(04)
[6]磁控溅射技术进展及应用(上)[J]. 徐万劲. 现代仪器. 2005(05)
[7]《现代表面工程设计手册》已经出版[J]. 刘景扬. 中国表面工程. 2001(01)
[8]固体润滑剂添加剂综述[J]. 黄文轩,张英华. 润滑油. 1999(05)
[9]绿色润滑油的发展概况[J]. 王大璞,乌学东,张信刚,金辉,杨生荣. 摩擦学学报. 1999(02)
[10]压缩机常用的几种合成润滑剂及其特性[J]. 赵兴中,刘家浚. 表面工程. 1995(01)
本文编号：3589547
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
sp3，sp2和sp1杂化键[15]
硕士学位论文3图1.1sp3，sp2和sp1杂化键[15]类金刚石碳（Diamond-likecarbon,DLC）是一种含有相当比例sp3键合的亚稳态形式的非晶碳[16]。根据非晶碳基薄膜的sp3、sp2键和H含量可以绘制出类金刚石薄膜的三元相图，见图1.2。该图不仅反映了DLC薄膜中sp3和sp2键的混杂特征，而且十分直观地表现出几种具体的碳膜之间的结构差别。按照碳膜中sp3杂化碳原子含量、氢含量以及掺杂元素等，DLC薄膜分为以下几类：无氢非晶碳（a-C）、含氢非晶碳（a-C:H）、四面体非晶碳（ta-C）、金属掺杂非晶碳（a-C:Me）、四面体含氢非晶碳（ta-C:H）、金属掺杂含氢非晶碳（a-C:H:Me）、改性含氢非晶碳（a-C:H:X）等[17]图1.2非晶碳基薄膜的三元相图[18]DLC薄膜处于热力学非平衡状态，其原子排列呈短程有序、长程无序的立体网络结构，短程有序的范围很小，主要体现在DLC薄膜的sp3键和sp2键的混杂结构。图1.3描绘了由sp2、sp3和H组成的DLC薄膜的结构示意图，整体上来看，类金刚石碳表现为典型的非晶结构，除了氢原子与碳原子成键外，还有部分氢以原子或者分子的形式被
基于Ti-DLC薄膜的固-液复合体系摩擦学性能研究4嵌在碳基质内。此外，类金刚石碳膜内部原子密度不均，有些地方会出现被称为“自由体积”的微孔洞。目前主要有两种类金刚石碳的结构模型，一种完全限制无规网络模型[19,20]和另一种两相模型[21,22]。完全限制无规网络模型的基本观点是，在非晶态随机共价网络中，当原子的平均抑制数与原子的机械自由度相等时，碳原子在无规网络中形成足够的交联，则认为网络是被完全抑制的。当配位数增加时，一方面，由于生成更多的共价键而降低了体系能量；另一方面，由于键长和键角的畸变会导致额外的应变能。当平均抑制数等于网络允许的自由度数时，这两方面的效应恰好相互抵消，从而使网络处于稳定状态。这意味着一个非晶共价网络只能支持有限量的键长和键角畸变。因而，可以为a-C:H薄膜中的碳原子定义一个最佳的平均配位数，进而对给定氢含量的a-C:H薄膜定义最佳的sp3/sp2键合比[23]。如果抑制数高于原子的自由度数，则该网络就是过抑制的，薄膜就会具有高的硬度和内应力；反之，网络就是欠抑制的，薄膜就会松软。两相模型也称为团簇模型，该模型认为DLC薄膜由三配位的sp2杂化碳团簇镶嵌在四配位的sp3杂化基质中构成。四配位的sp3杂化碳可以形成高度交联的三维碳网络，而三配位的sp2杂化碳通过形成平面六边的芳香环从而构成类似于石墨层状结构的小团簇，这些形成的小石墨团簇则会在某一方向上作为端点而终止网络。根据两相模型，sp3杂化碳决定了DLC薄膜的力学性质，使得具有较高的硬度，sp2杂化碳决定其光学和电学性质。由于该模型可以解释很多实验结果而得到了广泛的应用。图1.3类金刚石碳薄膜的结构模型[19]
【参考文献】：
期刊论文
[1]Black phosphorus as a new lubricant[J]. Wei WANG,Guoxin XIE,Jianbin LUO. Friction. 2018(01)
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[10]压缩机常用的几种合成润滑剂及其特性[J]. 赵兴中,刘家浚. 表面工程. 1995(01)
本文编号：3589547
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