橡膠作為密封材料已在軸承和活塞密封中被廣泛應用,但橡膠高的摩擦系數(shù)和磨損率使密封橡膠壽命縮短。采用磁控濺射技術(shù)在橡膠表面沉積超硬薄膜是一種可選方法,通過這種方法可以在幾乎不改變橡膠密封件體積尺寸的情況下獲得預期的橡膠表面性能。類金剛石(DLC)是一種超硬材料,通常是使用其涂覆于材料表面來提高材料的力學性能。直流磁控濺射技術(shù)因其工藝簡單、沉積速率快,是一種在橡膠表面沉積DLC薄膜非常好的方法,但是其制備工藝將會很大程度地影響沉積DLC薄膜的性質(zhì),從而影響對橡膠改性增強耐磨性的效果。因此,想要使以橡膠為原料的密封件獲得更為長效的壽命得以擴大應用領(lǐng)域,對濺射制備工藝的研究是重要且必要的。本論文以橡膠密封件常用的丁腈橡膠(NBR)為研究對象,在NBR上直流磁控濺射沉積DLC薄膜,主要研究了三個工藝參數(shù)對NBR上制備DLC薄膜的摩擦學性能影響以及NBR改性后的密封性能的變化。首先研究了氬氣濺射氣壓對DLC薄膜表面形貌、結(jié)構(gòu)、潤濕性和摩擦學性能的影響。用原子力顯微鏡觀察和分析橡膠表面DLC薄膜的形態(tài)及其與氣壓的關(guān)系,采用拉曼光譜研究了 DLC薄膜的化學鍵結(jié)構(gòu)并用紅外光譜驗證了薄膜結(jié)構(gòu)。用球盤摩擦法在干燥室溫環(huán)境條件、0.3 N的固定載荷下,進行了摩擦學測試。結(jié)果表明通過改變薄膜沉積的氣壓,能夠調(diào)整其摩擦學特性以獲得低的摩擦系數(shù)。接著研究基底偏壓對NBR上制備的DLC薄膜的影響。采用X射線光電子能譜對DLC薄膜成分進行了分析,并結(jié)合拉曼分析共同印證了 DLC薄膜材料的化學鍵合情況。利用納米壓痕儀對在不同基底偏壓下NBR表面沉積的DLC薄膜進行力學性能測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)DLC涂覆改性的NBR的硬度和楊氏模量均隨基底偏壓的增大而增大。摩擦學試驗表明,在基底偏壓-200 V時沉積的DLC薄膜明顯地使NBR硬度提高,磨損率降低。然后研究了功率對NBR上制備的DLC薄膜的影響。斷面結(jié)構(gòu)使用掃描電子顯微鏡進行分析,觀察評價了薄膜的致密性。測試發(fā)現(xiàn)高功率下制備的DLC薄膜厚度有所提高,且高的薄膜厚度能有效提高NBR的摩擦磨損性能。最后簡要介紹了和表面粗糙度有關(guān)的定義,運用臨界連通理論評價橡膠和硬表面接觸后發(fā)生泄漏的可能條件。借用乙醇液體的揮發(fā)性,自行設(shè)計簡單的實驗裝置對比評價了橡膠和涂覆DLC薄膜后橡膠的泄漏率。分析兩種不同的應力與時間條件下的泄漏率,并與理論計算的結(jié)果相比較,確立了以楊氏模量和均方根粗糙度變化為相關(guān)因子的泄漏率評價理論體系。
【學位單位】：海南大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TB306;TQ336.42
【部分圖文】：

圖３．２同壓ＮＢＲ上沉ＤＬＣ薄Ｒａｍａｎ５１４．５?ｎｍ，０．２??

可以看出Ｇ－ｐｅａｋ位置從大約１５４０?ｃｍ－１開始略有增加，但ＩＤ／ＩＧ從１．０下降到??０．３。通常，Ｇ－ｐｅａｋ位置被認為取決于鍵無序性和ｓｐ２環(huán)或鏈的存在：ｓｐ２鏈數(shù)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（圖３．３?ａ）??表明，ｓｐ２鏈的數(shù)量隨著氣壓的增加而增加，但鍵無序?qū)Γ欠逦恢玫挠绊懸膊蝗莺鲆暋??通常情況下，如果ｓｐ３鍵的比例超過２０％，那么在入射光波長為５１４?ｎｍ的拉曼光譜??中，Ｉｄ／Ｉｇ應該小于０．２?（Ａ?Ｃ?Ｆｅｒｒａｒｉ?＆?Ｒｏｂｅｒｔｓｏｎ，?２０００）。合成的ＤＬＣ薄膜的非晶化程??度屬于納米石墨到無定形碳之間的階段，其結(jié)構(gòu)主要由卷曲環(huán)狀構(gòu)型的ｓｐ２鍵組成（５、??６、７、８?碳原子環(huán)），ｓｐ３?鍵很少（如果有的話）（Ｂｅｅｍａｎ，１９８４；Ｇａｌｌｉｅ／ａ／．，?１９８９；Ｌｉ＆Ｌａｎｎｉｎ，??１９９０；?Ｓｔｅｐｈａｎ?ｅｔ?ａｌ．９?１９９４）〇??結(jié)合Ｉｄ／Ｉｇ趨勢（圖３．３ｂ）可以看出，隨著氣壓增加（ＡｎｄｒｅａＣａｒｌｏＦｅｒｒａｒｉ，２００２），ｓｐ２??環(huán)的存在減少，ｓｐ３鍵的數(shù)量增加。因此，在無氫和氫化ＤＬＣ沉積過程中，ｓｐ３鍵在??入射物質(zhì)擁有相對較高的動能下更有利于形成。此外

?３．?４紅外光譜??ＦＴＩＲ光譜用于識別官能團，并呈現(xiàn)出薄膜中各種鍵的不同振動模式。圖３．４為??ＮＢＲ基體和在ＮＢＲ上沉積的ＤＬＣ薄膜的紅外光譜圖。在ＤＬＣ薄膜的光譜中都出現(xiàn)??了?１２４１?ｃｍ－１的峰（ｓｐ３?Ｃ－Ｃ），說明ＤＬＣ膜中存在碳原子四面體結(jié)構(gòu)。在１６５０?ｃｍ—１的??一個弱峰表示Ｃ?＝?Ｃ的伸縮振動�？梢杂^察到ＮＢＲ在１６５０?ｃｍ—１的峰比ＤＬＣ薄膜在??此位置的峰強，主要原因在于丁腈橡膠由順丁二烯構(gòu)成，其中包含非中心對稱Ｃ?＝?Ｃ。??重要的是，隨著沉積ＤＬＣ的氣壓增加，Ｃ?＝?Ｃ所反映的峰值強度逐漸減弱，與拉曼光??譜的結(jié)果相匹配（圖３．２）。此外，在？７２３?ｃｎｒ１的弱峰屬于類石墨碳平面外彎曲（Ｈｓｉｅｈ??ｄａ／．
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本文編號：2879827