發(fā)布時間：2020-08-10 22:37

【摘要】：固液復(fù)合潤滑是指由固體潤滑薄膜和液體潤滑介質(zhì)協(xié)同形成的復(fù)合潤滑系統(tǒng),其中由于類金剛石碳膜(Diamond Like Carbon,DLC薄膜)的高承載、低摩擦磨損優(yōu)勢,由DLC薄膜構(gòu)成的固液復(fù)合潤滑系統(tǒng)在汽車和航空航天領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。這種固液復(fù)合潤滑系統(tǒng)在室溫下能夠表現(xiàn)出優(yōu)異的潤滑性能,但是在一些高溫環(huán)境應(yīng)用中卻存在著潤滑失效。其原因是非熱力學(xué)平衡結(jié)構(gòu)DLC薄膜的內(nèi)應(yīng)力較大,在高溫環(huán)境下強(qiáng)度與硬度顯著降低以及易石墨化,從而導(dǎo)致其熱穩(wěn)定性變差;另一方面,傳統(tǒng)的小分子添加劑主要是針對金屬摩擦副設(shè)計,而與DLC薄膜存在著匹配性不佳和高溫易分解的問題。與小分子添加劑不同的是納米添加劑有著易成膜,穩(wěn)定性好,耐熱性高的優(yōu)點。為了滿足DLC薄膜固液復(fù)合潤滑系統(tǒng)在服役溫度下的穩(wěn)定性要求,提高系統(tǒng)的潤滑效率,需從熱穩(wěn)定性固體潤滑膜的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及添加劑與其潤滑協(xié)同性兩方面深入研究,以期為固液復(fù)合潤滑系統(tǒng)中熱穩(wěn)定性DLC薄膜及納米添加劑的設(shè)計制備提供理論指導(dǎo)和實際經(jīng)驗。本論文針對硅摻雜DLC薄膜進(jìn)行熱穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,同時依據(jù)現(xiàn)有小分子添加劑與DLC薄膜不匹配的問題,探討多種熱穩(wěn)定性納米添加劑與摻硅DLC薄膜的協(xié)同潤滑機(jī)制。具體研究內(nèi)容如下:1.摻硅DLC薄膜的結(jié)構(gòu)設(shè)計對其熱穩(wěn)定性和摩擦學(xué)性能的影響針對固液復(fù)合潤滑系統(tǒng)的服役溫度對摻硅DLC薄膜的成分和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。制備了一系列不同Si含量的單層DLC薄膜和擁有不同亞層模量比以及不同亞層厚度比的多層摻硅DLC薄膜,探究了Si含量、亞層模量比和厚度比對摻硅DLC薄膜熱穩(wěn)定性以及摩擦學(xué)性能的影響。通過往復(fù)循環(huán)摩擦試驗機(jī)研究了摻硅DLC薄膜在不同使役溫度下在聚α烯烴(PAO)基礎(chǔ)油中的摩擦學(xué)性能,并對其力學(xué)性能和內(nèi)部的價鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,Si元素的摻雜有效的提高了摻硅DLC薄膜在高溫環(huán)境下的熱穩(wěn)定性,這是因為高溫能夠促使薄膜中的硅更趨于與氧結(jié)合,而從硅碳鍵中解構(gòu),促成更多碳碳單鍵的形成,使得摻硅DLC薄膜的硬度獲得了提高,同時在固液復(fù)合潤滑系統(tǒng)中,摩擦誘導(dǎo)形成的硅氧化合物在摩擦副的表面形成潤滑膜。我們也發(fā)現(xiàn)模量比為1.267的多層DLC薄膜的抗磨性能最優(yōu),這是因為DLC薄膜的硬度隨模量比的增大而增加,高的亞層模量比更有利于阻止裂紋的延伸,并且在亞層相對厚度相等時使得每個單一亞層的厚度最低,這限制了裂紋在亞層內(nèi)的進(jìn)一步擴(kuò)展,使得此時的多層膜抗磨性最佳。2.納米添加劑與摻硅DLC薄膜在固液復(fù)合潤滑系統(tǒng)中的協(xié)同潤滑機(jī)制研究選取油溶性金屬銅、二硫化鎢和氧化鋅三種納米添加劑作為摻硅DLC薄膜固液復(fù)合潤滑系統(tǒng)中的添加劑。系統(tǒng)研究在不同使役溫度下,摻硅DLC薄膜與不同類型添加劑(金屬單質(zhì)、金屬硫化物和金屬氧化物)的協(xié)同潤滑機(jī)制,同時與現(xiàn)有小分子添加劑二烷基二硫代磷酸鋅(ZDDP)進(jìn)行了對比。通過往復(fù)循環(huán)摩擦試驗機(jī)對摻硅DLC薄膜進(jìn)行了摩擦學(xué)性能的測試,并對鋼球磨斑的元素面分布以及摻硅DLC薄膜磨痕處元素的化學(xué)狀態(tài)和價鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),Cu納米添加劑在25℃有著最佳的減摩抗磨性能,摩擦系數(shù)和磨損率分別降低了25%和99%左右,這是因為其在室溫環(huán)境下在摩擦副的表面形成了潤滑膜;而在150℃,納米添加劑都有效提高了摻硅DLC薄膜的抗磨性能,磨損率降低了90%左右,這與WS_2和ZnO納米添加劑在高溫環(huán)境下在摩擦副的表面形成了潤滑膜有關(guān)。通過研究也發(fā)現(xiàn),Cu納米添加劑在25和150℃的綜合性能最優(yōu);并且納米添加劑相比于ZDDP小分子添加劑在150℃有效的提高了DLC薄膜的抗磨性能。3.納米添加劑在摻硅DLC薄膜/成品油固液復(fù)合潤滑系統(tǒng)中的摩擦學(xué)性能研究主要研究了不同類型的納米添加劑(分別為ZnO、WS_2和Cu)在兩種成品機(jī)油(廣汽,5W40和北京現(xiàn)代,5W20)中與摻硅DLC薄膜在不同使役溫度下的協(xié)同潤滑性能。通過往復(fù)循環(huán)摩擦試驗機(jī)對摻硅DLC薄膜進(jìn)行了摩擦學(xué)性能測試,并對鋼球磨斑進(jìn)行了元素面分布分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),納米添加劑雖然沒能改善摻硅DLC薄膜在成品油中的減摩性能,但是,在25℃,納米添加劑卻有效的提高了摻硅DLC薄膜的抗磨性能,尤其是Cu納米添加劑的加入,磨損率降低了60%-70%;在150℃,摻硅DLC薄膜在廣汽成品油中產(chǎn)生零磨損優(yōu)異抗磨性能,與成品油顯示出突出的配伍性。
【學(xué)位授予單位】：河南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.2
【圖文】：

. B. Cai 等人[59]對 a-C/a-C:Ti 納米多層 DLC 薄膜的顯微結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和摩擦行了研究。結(jié)果顯示，a-C/a-C:Ti 多層結(jié)構(gòu) DLC 薄膜的粘附強(qiáng)度、硬度和彈性較于純 a-C 碳膜都有了顯著的提高，并且該多層結(jié)構(gòu) DLC 薄膜的摩擦系數(shù)明純 DLC 薄膜的。除此之外，a-C/a-C:Ti 納米多層 DLC 薄膜并沒有像純 DLC 薄摩擦的過程中發(fā)生了磨穿現(xiàn)象。摻 Ti 多層膜力學(xué)性能提高的主要原因是在 D構(gòu)中存在大量的納米微晶 TiC 和亞層界面。納米晶 TiC 的存在有利于 DLC 薄應(yīng)變場的形成。而應(yīng)變場與位錯的相互作用增大了位錯在 DLC 薄膜內(nèi)部運(yùn)動多層膜中界面的存在也是影響硬度非常重要的因素，因為它們可以抑制晶粒生位錯運(yùn)動；同時，這些界面也是能量耗散和裂紋偏轉(zhuǎn)的場所，這樣可以減少裂從而產(chǎn)生良好的韌性。. Zhang 等人[60]研究了軟硬亞層交替沉積的多層 DLC 薄膜的力學(xué)性能和摩擦學(xué)果表明，對于亞層具有相似顯微結(jié)構(gòu)的多層 DLC 薄膜來說，在低偏壓下沉積部，高偏壓控制著 sp2鍵向 sp3鍵的轉(zhuǎn)變；對于相鄰亞層差別較大的多層 DLC

高耐磨性以及較小內(nèi)應(yīng)力的優(yōu)點。其硬度和殘余應(yīng)力依賴于 DLC 薄膜的交替層數(shù)，交替層數(shù)并沒有對多層結(jié)構(gòu) DLC 薄膜的摩擦行為有顯著的影響。雖然 Si-DLC/DLC碳膜的摩擦系數(shù)隨著濕度的增加而增大了，但是仍然低于純 DLC 薄膜和 Si-DLC 薄這表明，多層結(jié)構(gòu) DLC 薄膜相比于單層結(jié)構(gòu) DLC 薄膜有著更加優(yōu)異的減摩性能。

圖 2-2 單層摻硅 DLC 薄膜在 25℃(a-e:三維圖; f: 二維圖)和150℃(g-k: 三維圖; l: 二維圖)條件下的磨痕輪廓圖圖 2-2 為單層摻硅 DLC 薄膜在 25℃和 150℃的磨痕輪廓圖。從圖中二維輪廓圖中可以明顯的看到，純 DLC 薄膜與最佳單層摻硅 DLC 薄膜相比，在 25℃下雖然其犁溝深度稍淺于單層摻硅 DLC 薄膜的，但是，其寬度明顯大于單層摻硅 DLC 薄膜的；在 150℃下，其犁溝的寬度和深度都要大于單層摻硅 DLC 薄膜的。2.3.2 單層摻硅 DLC 薄膜/PAO 系統(tǒng)摩擦學(xué)機(jī)制分析25℃COSiCrFe0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25-300-200-100aRLateral(μm)

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本文編號：2788705