【摘要】：由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,摩擦所導(dǎo)致的負(fù)面效應(yīng)也越來越嚴(yán)重。不僅是材料的破壞損耗,摩擦所造成的能源的浪費和污染物的排放也是非常嚴(yán)峻的問題。隨著科技的發(fā)展,極大地拓展了人類所能踏足的領(lǐng)域,而且新型技術(shù)的發(fā)展使人們在微觀與宏觀尺度上的探索有了飛躍式的進(jìn)步。同樣,對運動部件機構(gòu)的長壽命和高可靠性有了更加嚴(yán)苛的需求,通常來說,大幅度提升機械運動部件的使用壽命及可靠性的關(guān)鍵技術(shù)之一是優(yōu)秀的潤滑技術(shù)。固體薄膜潤滑具有使用溫度范圍寬、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點,比如類金剛石碳膜,特別地,在類金剛石碳膜的研究過程中,摩擦學(xué)者發(fā)現(xiàn)了一種具有獨特納米結(jié)構(gòu)的非晶碳膜,即類富勒烯納米結(jié)構(gòu)鑲嵌在非晶碳網(wǎng)絡(luò)中,其與常規(guī)非晶碳膜來說,具有更高的硬度和彈性恢復(fù),化學(xué)惰性及摩擦磨損特性。特別是含氫類富勒烯薄膜,由于氫的存在,具有更加優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。但是對于固體潤滑薄膜而言,有限的使用壽命,替換的困難性,容易氧化及退化等缺點限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用。因此,提高運動部件壽命及可靠性是目前所急需解決的問題。基于以上問題,本文通過兩個方面為提高運動部件壽命及可靠性,一方面通過調(diào)查含氫類富勒烯薄膜,研究其磨損過程中磨損壽命變化,及溫度對薄膜可靠性的影響;另一方面,通過使用固液復(fù)合潤滑的方式來改善固體潤滑薄膜的缺陷。1.通過直流等離子增強化學(xué)氣相沉積方法在硅片表面生長了類富勒烯含氫碳膜,并通過掃描電子顯微鏡(SEM),高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM),拉曼光譜證實了薄膜的結(jié)構(gòu)。通過納米壓痕儀測量了薄膜在磨損階段的硬度,并用中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所自制的球-盤往復(fù)摩擦磨損試驗機上研究了薄膜在不同載荷下的摩擦系數(shù)及壽命的變化。探討了薄膜在不同載荷下壽命變化與薄膜硬度的關(guān)系。通過測載荷為10N、20N、25N下不同摩擦?xí)r間的含氫類富勒烯薄膜的表面硬度,可得出結(jié)論,在磨合期,在載荷作用下,薄膜表層內(nèi)部發(fā)生塑性變形形成硬化帶,使薄膜的硬度增加。當(dāng)摩擦系數(shù)穩(wěn)定后,其表層硬度在一定范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。當(dāng)載荷變大時,摩擦初期薄膜表層硬度也相應(yīng)增大。由Archcard公式可推出TW=(Db/k)H,即含氫類富勒烯薄膜磨損時間(磨損壽命)T與載荷W的乘積TW與總厚度D和磨損寬度b的乘積與磨損系數(shù)k的比值Db/k成正比例關(guān)系,從試驗角度證明了其可靠性。故可解釋隨載荷增加,薄膜摩擦系數(shù)下降而其磨損壽命保持穩(wěn)定的現(xiàn)象,即載荷增加,薄膜表面硬度也隨之增加,故其磨損減弱,從而使得磨損壽命穩(wěn)定。2.通過在氮氣中對薄膜進(jìn)行退火,研究了含氫類富勒烯碳薄膜的熱穩(wěn)定性。通過彈性反沖檢測(ERD),高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM),拉曼光譜和X射線光電子能譜(XPS),納米壓痕儀調(diào)查了薄膜在退火溫度為200、250、300、400和500℃下結(jié)構(gòu)的變化,并研究薄膜退火前后的摩擦磨損性能。當(dāng)退火溫度低于300℃時,薄膜中類富勒烯結(jié)構(gòu)隨退火溫度升高而越來越明顯,薄膜的硬度增加,磨損體積減少。薄膜中的sp~2原子在低溫退火(250?300℃)下轉(zhuǎn)變?yōu)閟p~3原子。隨著退火溫度的升高(400和500℃),薄膜sp~3原子轉(zhuǎn)化為sp~2原子,薄膜開始石墨化。在退火溫度為300℃時,含氫類富勒烯薄膜具有最好的抗磨減摩磨損性能。3.通過把石墨烯加入基礎(chǔ)油PAO6中作為潤滑劑,加在含氫類富勒烯薄膜的摩擦界面。使用等離子體增強化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)將含氫類富勒烯薄膜沉積在鋼球(GCr15)和硅晶片(100)上。在添加RGO的基礎(chǔ)油的潤滑下研究未涂覆或涂覆含氫類富勒烯薄膜的鋼球與含氫類富勒烯薄膜之間的摩擦學(xué)性能。結(jié)果表明,含氫類富勒烯薄膜和RGO對減少摩擦和磨損具有協(xié)同效應(yīng)。FL-C:H/(PAO6+RGO)/FL-C:H體系不僅提高了潤滑和抗磨損能力,而且在摩擦學(xué)領(lǐng)域有顯著的應(yīng)用潛力。
【圖文】：

碩士學(xué)位論文富勒烯微結(jié)構(gòu)與 MS 相比,具有差的有序度。而含氫類富勒烯碳膜可以通化學(xué)氣相沉積（PECVD）來制備（圖 1.1a）。從圖 1.1a 可以看出，一個，另一個極板與電源（可以是直流或脈沖電流或射頻電源）連接。此外應(yīng)磁控濺射（R-MS）來生長 FL-C：H 薄膜[28,29]。 不同于 PECVD，代個由電源供電的磁控濺射槍，基板由另一個電源供電（圖 1.1b）。相比以提供第三種元素和額外的能量。另外，微波等離子體增強化學(xué)氣CVD）也可以用來制備含氫類富勒烯薄膜。

（1）由 H引起的應(yīng)力導(dǎo)致將奇數(shù)環(huán)引入石蝕刻平面 sp2相，并破壞鍵基。但是，過多因此需要詳細(xì)研究氫的影響。不同的是，響。F 原子會優(yōu)先占據(jù)端基位置，終止碳因此過多的 F 引入會導(dǎo)致薄膜非晶化[53]。構(gòu)具有很大的影響。研究發(fā)現(xiàn)，對比其均有高的類富勒烯結(jié)構(gòu)。沉積時間為 0.5h化碳發(fā)生彎曲，所以 FL 微結(jié)構(gòu)變多；當(dāng)，，在薄膜內(nèi)應(yīng)力作用下斷裂的鍵開始重組膜的納米結(jié)構(gòu)也有很大的影響[59]�？梢詮臉�(gòu)生長[60,61]。在 300℃退火時，F(xiàn)L-C：H明碳納米結(jié)構(gòu)中彎曲石墨烯所占的比例最下氫含量不會變化，但是超過 300℃，因的降低[62]。另外，N 原子摻入 FL-C：H
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.2;TH117

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2641114