橡胶表面DLC薄膜的磁控溅射制备参数研究和密封性能评价

发布时间：2020-11-11 22:23

　　 橡胶作为密封材料已在轴承和活塞密封中被广泛应用,但橡胶高的摩擦系数和磨损率使密封橡胶寿命缩短。采用磁控溅射技术在橡胶表面沉积超硬薄膜是一种可选方法,通过这种方法可以在几乎不改变橡胶密封件体积尺寸的情况下获得预期的橡胶表面性能。类金刚石(DLC)是一种超硬材料,通常是使用其涂覆于材料表面来提高材料的力学性能。直流磁控溅射技术因其工艺简单、沉积速率快,是一种在橡胶表面沉积DLC薄膜非常好的方法,但是其制备工艺将会很大程度地影响沉积DLC薄膜的性质,从而影响对橡胶改性增强耐磨性的效果。因此,想要使以橡胶为原料的密封件获得更为长效的寿命得以扩大应用领域,对溅射制备工艺的研究是重要且必要的。本论文以橡胶密封件常用的丁腈橡胶(NBR)为研究对象,在NBR上直流磁控溅射沉积DLC薄膜,主要研究了三个工艺参数对NBR上制备DLC薄膜的摩擦学性能影响以及NBR改性后的密封性能的变化。首先研究了氩气溅射气压对DLC薄膜表面形貌、结构、润湿性和摩擦学性能的影响。用原子力显微镜观察和分析橡胶表面DLC薄膜的形态及其与气压的关系,采用拉曼光谱研究了 DLC薄膜的化学键结构并用红外光谱验证了薄膜结构。用球盘摩擦法在干燥室温环境条件、0.3 N的固定载荷下,进行了摩擦学测试。结果表明通过改变薄膜沉积的气压,能够调整其摩擦学特性以获得低的摩擦系数。接着研究基底偏压对NBR上制备的DLC薄膜的影响。采用X射线光电子能谱对DLC薄膜成分进行了分析,并结合拉曼分析共同印证了 DLC薄膜材料的化学键合情况。利用纳米压痕仪对在不同基底偏压下NBR表面沉积的DLC薄膜进行力学性能测试。结果发现DLC涂覆改性的NBR的硬度和杨氏模量均随基底偏压的增大而增大。摩擦学试验表明,在基底偏压-200 V时沉积的DLC薄膜明显地使NBR硬度提高,磨损率降低。然后研究了功率对NBR上制备的DLC薄膜的影响。断面结构使用扫描电子显微镜进行分析,观察评价了薄膜的致密性。测试发现高功率下制备的DLC薄膜厚度有所提高,且高的薄膜厚度能有效提高NBR的摩擦磨损性能。最后简要介绍了和表面粗糙度有关的定义,运用临界连通理论评价橡胶和硬表面接触后发生泄漏的可能条件。借用乙醇液体的挥发性,自行设计简单的实验装置对比评价了橡胶和涂覆DLC薄膜后橡胶的泄漏率。分析两种不同的应力与时间条件下的泄漏率,并与理论计算的结果相比较,确立了以杨氏模量和均方根粗糙度变化为相关因子的泄漏率评价理论体系。
【学位单位】：海南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB306;TQ336.42
【部分图文】：

图３．２同压ＮＢＲ上沉ＤＬＣ薄Ｒａｍａｎ５１４．５?ｎｍ，０．２??

可以看出Ｇ－ｐｅａｋ位置从大约１５４０?ｃｍ－１开始略有增加，但ＩＤ／ＩＧ从１．０下降到??０．３。通常，Ｇ－ｐｅａｋ位置被认为取决于键无序性和ｓｐ２环或链的存在：ｓｐ２链数量的增??加直接引起Ｇ－ｐｅａｋ位置增加（Ａ?Ｃ?Ｆｅｒｒａｒｉ?＆?Ｒｏｂｅｒｔｓｏｎ，?２０００）。Ｇ峰位置信息（图３．３?ａ）??表明，ｓｐ２链的数量随着气压的增加而增加，但键无序对Ｇ峰位置的影响也不容忽视。??通常情况下，如果ｓｐ３键的比例超过２０％，那么在入射光波长为５１４?ｎｍ的拉曼光谱??中，Ｉｄ／Ｉｇ应该小于０．２?（Ａ?Ｃ?Ｆｅｒｒａｒｉ?＆?Ｒｏｂｅｒｔｓｏｎ，?２０００）。合成的ＤＬＣ薄膜的非晶化程??度属于纳米石墨到无定形碳之间的阶段，其结构主要由卷曲环状构型的ｓｐ２键组成（５、??６、７、８?碳原子环），ｓｐ３?键很少（如果有的话）（Ｂｅｅｍａｎ，１９８４；Ｇａｌｌｉｅ／ａ／．，?１９８９；Ｌｉ＆Ｌａｎｎｉｎ，??１９９０；?Ｓｔｅｐｈａｎ?ｅｔ?ａｌ．９?１９９４）〇??结合Ｉｄ／Ｉｇ趋势（图３．３ｂ）可以看出，随着气压增加（ＡｎｄｒｅａＣａｒｌｏＦｅｒｒａｒｉ，２００２），ｓｐ２??环的存在减少，ｓｐ３键的数量增加。因此，在无氢和氢化ＤＬＣ沉积过程中，ｓｐ３键在??入射物质拥有相对较高的动能下更有利于形成。此外

?３．?４红外光谱??ＦＴＩＲ光谱用于识别官能团，并呈现出薄膜中各种键的不同振动模式。图３．４为??ＮＢＲ基体和在ＮＢＲ上沉积的ＤＬＣ薄膜的红外光谱图。在ＤＬＣ薄膜的光谱中都出现??了?１２４１?ｃｍ－１的峰（ｓｐ３?Ｃ－Ｃ），说明ＤＬＣ膜中存在碳原子四面体结构。在１６５０?ｃｍ—１的??一个弱峰表示Ｃ?＝?Ｃ的伸缩振动。可以观察到ＮＢＲ在１６５０?ｃｍ—１的峰比ＤＬＣ薄膜在??此位置的峰强，主要原因在于丁腈橡胶由顺丁二烯构成，其中包含非中心对称Ｃ?＝?Ｃ。??重要的是，随着沉积ＤＬＣ的气压增加，Ｃ?＝?Ｃ所反映的峰值强度逐渐减弱，与拉曼光??谱的结果相匹配（图３．２）。此外，在？７２３?ｃｎｒ１的弱峰属于类石墨碳平面外弯曲（Ｈｓｉｅｈ??ｄａ／．
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本文编号：2879827