隨著日漸提高的機(jī)械裝置高精密、長(zhǎng)壽命和安全服役要求,運(yùn)動(dòng)副的摩擦磨損成為制約其發(fā)展的瓶頸之一。為了解決上述問題,越來越多的薄膜材料被開發(fā)和研究。其中,類金剛石薄膜由于其低摩擦、高硬度、耐腐蝕等性能,尤其是在超滑方面的優(yōu)勢(shì),近年來受到廣泛關(guān)注。本文針對(duì)非晶含氫碳薄膜超滑的局限性等問題,研究了含氫碳薄膜本征結(jié)構(gòu)對(duì)摩擦學(xué)的影響規(guī)律,提出了界面誘導(dǎo)實(shí)現(xiàn)超滑的新思路。主要取得的進(jìn)展有:（1）對(duì)比研究了氮摻雜和硅摻雜對(duì)含氫碳薄膜的影響行為,指出了N的引入易于在大氣環(huán)境中同鋼球接觸表面反應(yīng),形成碳化鐵和氧化鐵等納米顆粒,進(jìn)一步加速磨損,并導(dǎo)致了高的摩擦系數(shù);而Si元素的引入,抑制了濕度對(duì)碳薄膜的破壞,促進(jìn)了摩擦界面有序碳結(jié)構(gòu)的形成,是其實(shí)現(xiàn)超滑的主要原因。（2）對(duì)于非晶含氫碳薄膜在大氣不能實(shí)現(xiàn)超滑的問題,提出了誘導(dǎo)摩擦界面納米結(jié)構(gòu)有序化的新思路,以鍍Au鋼球?yàn)槟Σ粮?在摩擦剪切力作用下誘導(dǎo)界面形成有序碳納米帶結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了宏觀尺度的超滑。（3）進(jìn)一步的,采用二硫化鉬鋼球,與非晶含氫碳薄膜形成摩擦體系,實(shí)現(xiàn)了低至0.003的摩擦系數(shù)。微觀結(jié)構(gòu)研究顯示雜亂的二硫化鉬層狀片段在摩擦力作用下有序排列并長(zhǎng)大,是... 

【文章來源】：蘭州理工大學(xué)甘肅省

【文章頁(yè)數(shù)】：77 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

碳原子的雜化形式

ㄏ蛄ρ?閱埽?⑶銥梢院莧菀自誆慵浼羥校?虼絲?以起到潤(rùn)滑作用[11]。1971年，英國(guó)劍橋大學(xué)J.Skinner[12]等人首次觀測(cè)到了W探針與石墨在微觀尺度上的超滑現(xiàn)象。隨后，在上世紀(jì)末，多壁碳納米管(MWCNT)的納米尺寸超滑性能首次被A.Zettl[13]等人發(fā)現(xiàn)，直到2013年，Wei[14]等人將多壁碳納米管的超滑特性提升到了厘米級(jí)別。同軸多壁碳納米管是一種非常簡(jiǎn)單的幾何結(jié)構(gòu)，它將層間運(yùn)動(dòng)限制在一個(gè)單一的（軸向）具有剛性的固定層間取向的方向。剛度抑制剪切誘導(dǎo)的位錯(cuò)滑移和小尺寸結(jié)構(gòu)保證了實(shí)現(xiàn)幾乎無缺陷結(jié)構(gòu)的可能性。圖1.2碳納米管滑動(dòng)示意圖以及TEM照片F(xiàn)igure1.2SchematicdiagramofcarbonnanotubeslipandTEMimage關(guān)于多壁碳納米管的超滑，現(xiàn)主要有非公度接觸說和范德華力說。非公度接觸的概念最初由日本科學(xué)家Hirano和Shinjo在上世紀(jì)末所提出[15]，如圖1.3[16]。即理想化的同一兩片完整的規(guī)則晶面，使其中一面呈一定角度與另一面接觸，使晶格取向不匹配，從而造成接觸面之間的絕熱運(yùn)動(dòng)，并且使得每一個(gè)原子受到的作用合力幾乎為零。在這種情況下，晶面之間的摩擦力幾乎消失。這是由于二維的原子面上不可避免地會(huì)出現(xiàn)缺陷以及雜質(zhì)，這些特征使得晶面之間出現(xiàn)了不穩(wěn)

碩士學(xué)位論文5定的區(qū)域。當(dāng)兩片原子面以完全匹配的晶格取向相互接觸滑動(dòng)時(shí)，就會(huì)造成使原子經(jīng)過不穩(wěn)定的區(qū)域，使原子受力不平衡，導(dǎo)致能量的損失。非公度接觸實(shí)質(zhì)上就是利用原子高自由度運(yùn)動(dòng)形式避免與不穩(wěn)定因素的接觸，使摩擦力消失的過程。而碳納米管本質(zhì)上就是彎曲的石墨烯卷，大多數(shù)多壁碳納米管其內(nèi)壁與外壁都滿足非公度接觸，達(dá)到超滑。同時(shí)另一個(gè)說法認(rèn)為多壁碳納米管的超滑與壁之間的范德華力作用有關(guān)，當(dāng)內(nèi)壁碳納米管在滑動(dòng)過程中，由于范德華力的作用使得中段原子受到的推動(dòng)力和阻力相平衡，極大地減少了摩擦力。圖1.3結(jié)構(gòu)超滑示意圖（a）、（b）公度接觸；（c）、（d）非公度接觸Figure1.3Diagramofstructuresuperlubrication(a)，(b)commensuratecontanct;(c)，(d)incommensuratecontact從第一次觀察到原子尺度摩擦和理想無摩擦滑動(dòng)概念的提出之后，原子面間非公度接觸和弱范德華力成了研究人員追求超滑零摩擦的主要途徑。作為另一種碳的同素異形體，C60結(jié)構(gòu)（也稱富勒烯）的球形結(jié)構(gòu)也成了理想的研究材料。如圖1.4[17]，C60結(jié)構(gòu)先后被引入石墨層隙中，雙層石墨烯以及二維材料二硫化鉬層中，并都發(fā)現(xiàn)了極低的摩擦系數(shù)（＜0.002）。這種Graphene/C60/Graphene結(jié)構(gòu)中，C60與石墨烯片之間的范德華力正好可以使C60在石墨烯間流暢地滑動(dòng)或扭轉(zhuǎn)，起到分子軸承的作用。此外這種范德華力也使整個(gè)結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)[18-20]。

【參考文獻(xiàn)】：
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