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《兰州交通大学》 2016年
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改性DLC薄膜水环境、润滑油环境摩擦性能研究

马新莉  
【摘要】:类金刚石碳膜(DLC)薄膜是一种性能优异的固体润滑薄膜,但是其摩擦性能具有强烈的环境敏感性,尤其在高温、高真空、强腐蚀等恶劣工况易发生开裂、剥落、摩擦系数增大等问题,导致薄膜润滑失效。针对不同环境条件,制备具有环境适用性的DLC薄膜是增强其实用性的有效手段。本论文通过应用非平衡磁控溅射镀膜法,针对DLC薄膜在水环境和润滑油环境的摩擦磨损性能,在304L不锈钢以及Si片基底材料上制备了改性的氢化DLC薄膜以及WC/DLC薄膜。利用SEM、Raman光谱仪、XRD衍射仪、TEM、纳米压痕仪、电化学工作站、多功能摩擦磨损试验机及Alpha-Step IQ表面轮廓仪(台阶仪)等分析测试设备,对薄膜的微观结构、力学性能、润湿性能、耐蚀性及摩擦学性能等进行测试,深入研究对比了氢化DLC薄膜与304L不锈钢基底在海水环境的润湿性和耐蚀性,在大气环境、去离子水环境、海水环境的摩擦磨损性能以及海水环境的磨蚀性能。对比分析了WC/DLC薄膜在PAO-40润滑油环境、发动机润滑油环境、具有腐蚀性的发动机润滑油环境与304L不锈钢基底的摩擦磨损性能,在23℃、100℃、200℃条件下,PAO-40润滑油环境与无掺杂DLC薄膜的摩擦磨损性能。现得到阶段性结论如下:1.较之于304L不锈钢,在该基底上沉积氢化DLC薄膜后,由于氢化DLC薄膜内部sp3键含量高,因此薄膜呈现出较高的硬度和弹性模量。此外,基于氢化DLC薄膜致密的表截面结构,使304L不锈钢在海水环境耐蚀性能得到改善。因为水环境所形成润滑水膜能够有效减小薄膜与对磨副之间剪切应力,所以薄膜在去离子水环境、海水环境摩擦系数与磨损率明显降低。同时,由于薄膜在海水环境具有良好的减摩耐磨性能,以及Ca2+和Mg2+所起到的润滑性能,氢化DLC薄膜在海水环境表现出最低的摩擦系数与磨损率。2.氢化DLC薄膜在具有腐蚀性的海水环境摩擦过程中,由于氢化DLC薄膜腐蚀性能与摩擦性能之间交互作用较小,薄膜表面钝化膜生成过程与机械去钝化过程相互平衡,氢化DLC薄膜在摩擦过程中腐蚀性能基本保持稳定。而且在不同腐蚀电位摩擦试验过程中,摩擦系数和磨损率波动较小。薄膜在摩擦过程中体积损失主要以机械磨损为主,腐蚀磨损在摩擦过程中起到作用较小,薄膜在去离子水环境、海水环境均表现出优异的耐蚀耐磨性能。3.较之于304L不锈钢基底,在该基底材料沉积WC/DLC薄膜后,基材机械强度提高,同时由于WC/DLC薄膜内部非晶碳基质的减摩抗磨作用,WC/DLC薄膜在PAO-40润滑油环境、发动机润滑油环境、具有腐蚀性的发动机润滑油环境均表现出明显比基底材料低的摩擦系数与磨损率,因此在304L不锈钢基底上沉积的WC/DLC薄膜具有良好的减摩抗磨性能。4.较之于无掺杂DLC薄膜,WC掺杂DLC薄膜之后,DLC薄膜内部高压内应力降低,膜基结合力明显提高。此外,由于WC掺杂,DLC薄膜表面活性增大,当WC/DLC薄膜处于边界润滑状态时,高表面活性能够促进油膜在摩擦界面铺展,薄膜与润滑油膜之间相互作用增强,形成更有效的保护膜,能够使WC/DLC薄膜磨损率进一步降低,因而WC/DLC薄膜在23℃、100℃、200℃条件,PAO-40润滑油环境均表现出良好的摩擦适应性。综上所述,WC/DLC薄膜在有润滑环境具有良好的摩擦适应性。
【关键词】:DLC薄膜 WC/DLC薄膜 微观结构 机械性能 摩擦学性能
【学位授予单位】:兰州交通大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TG174.4
【目录】:
  • 摘要4-6
  • Abstract6-11
  • 第1章 绪论11-23
  • 1.1 课题研究背景11-12
  • 1.2 DLC薄膜摩擦性能的环境敏感性12-14
  • 1.2.1 环境温度的敏感性12-13
  • 1.2.2 环境湿度的敏感性13
  • 1.2.3 环境润滑介质的敏感性13
  • 1.2.4 环境气氛的敏感性13-14
  • 1.3 DLC薄膜环境敏感性改进技术14-16
  • 1.3.1 Cu、Ag和Au掺杂改善DLC薄膜空间环境服役能力14-15
  • 1.3.2 W掺杂改善DLC薄膜在油环境的摩擦适应性15
  • 1.3.3 N掺杂改善DLC薄膜水介质环境敏感性15-16
  • 1.3.4 Si掺杂改善DLC薄膜热稳定性16
  • 1.4 磁控溅射镀膜技术16-18
  • 1.4.1 平衡磁控溅射技术17
  • 1.4.2 非平衡磁控溅射技术17-18
  • 1.5 氢化DLC薄膜与WC/DLC薄膜18-20
  • 1.6 本课题研究意义20-22
  • 1.6.1 适用于水环境的氢化DLC薄膜20-21
  • 1.6.2 适用于油环境的WC/DLC薄膜21-22
  • 1.7 本课题研究内容22-23
  • 第2章 研究方案及方法23-32
  • 2.1 本课题研究方案23
  • 2.2 基底材料与薄膜制备技术23-24
  • 2.3 本课题薄膜的表征24-32
  • 2.3.1 扫描电子显微分析25-26
  • 2.3.2 辉光放电发射光谱分析26
  • 2.3.3 扫描隧道分析26-27
  • 2.3.4 共聚焦拉曼光谱分析27
  • 2.3.5 X射线衍射分析27-28
  • 2.3.6 透射电子显微分析28
  • 2.3.7 硬度、弹性模量及结合力测试28
  • 2.3.8 润湿性能测试28-29
  • 2.3.9 耐腐蚀性测试29-30
  • 2.3.10 摩擦磨损性能测试30-31
  • 2.3.11 磨蚀性能测试31-32
  • 第3章 氢化DLC薄膜的结构及水环境摩擦性能研究32-47
  • 3.1 氢化DLC薄膜的制备32-33
  • 3.2 氢化DLC薄膜的微观结构33-34
  • 3.3 氢化DLC薄膜的力学性能34-35
  • 3.4 氢化DLC薄膜的润湿性能35-36
  • 3.5 氢化DLC薄膜的耐蚀性能37-40
  • 3.6.1 氢化DLC薄膜在不同环境摩擦系数37-38
  • 3.6.2 氢化DLC薄膜在不同环境磨痕形貌38-39
  • 3.6.3 氢化DLC薄膜在不同环境磨痕轮廓39-40
  • 3.7 氢化DLC薄膜在海水环境磨蚀性能40-45
  • 3.7.1 氢化DLC薄膜摩擦过程中腐蚀性能变化趋势40-41
  • 3.7.2 氢化DLC薄膜在腐蚀过程中摩擦性能变化趋势41-43
  • 3.7.3 氢化DLC薄膜与 304L不锈钢基底摩擦性能与腐蚀性能之间相互关系43-45
  • 3.8 本章小结45-47
  • 第4章 WC掺杂DLC薄膜润滑油环境摩擦性能研究47-58
  • 4.1 WC/DLC薄膜的制备47
  • 4.2 WC/DLC薄膜微观结构47-50
  • 4.3 WC/DLC薄膜力学性能50-51
  • 4.4 WC/DLC薄膜在不同润滑油环境摩擦性能51-53
  • 4.5 WC/DLC薄膜与DLC薄膜在PAO-40 润滑油环境摩擦性能53-56
  • 4.6 本章小结56-58
  • 结论58-60
  • 致谢60-61
  • 参考文献61-64
  • 攻读学位期间的研究成果64

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