镍基纳米碳管复合镀层的摩擦磨损性能

【摘要】：本文以金属表面耐磨减摩材料为应用背景，对钢和铝基体上的镍基纳米碳管复合镀层的制备工艺和摩擦磨损性能进行了研究，并讨论了纳米碳管在复合镀层摩擦磨损的作用机制。 利用化学气相沉积法(CVD)制备了多壁纳米碳管(CNT)，并对纳米碳管进行纯化和球磨的处理。采用透射电子显微镜(TEM)对纳米碳管的微观结构进行了观察。 利用化学沉积法在钢基体上制备了Ni-P-CNT复合镀层，并在400℃下真空处理1小时。采用X射线衍射(XRD)分析复合镀层退火前后的组织结构变化，利用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)对复合镀层的表面形貌进行了系统的观察分析。试验结果发现：经退后处理后，镀层由非晶态转变为晶态，并且有Ni_3P硬质相产生。复合镀层表面光滑平整，粗糙度较小，约为0.1μm，纳米碳管在镀层中均匀嵌入。 用维氏硬度计和销—盘式磨损试验机测试了化学沉积Ni-P-CNT复合镀层的硬度和摩擦磨损性能。试验结果表明：镀层的硬度较高，且随着镀层中碳管体积分数的增加，复合镀层的硬度逐渐升高，最高可达Hv1330。复合镀层的耐磨性能好，摩擦系数较小，并且随着镀层中碳管体积分数的增加，摩擦系数逐渐降低。 用电沉积方法在铝基体上制备了含不同纳米碳管体积分数的Ni-CNT和Ni-P-CNT复合镀层，然后在400℃下真空处理1小时。采用XRD分析复合镀层退火前后的组织结构变化，利用SEM对复合镀层的表面形貌进行了观察。研究表明：复合镀层表面光亮平整，纳米碳管在复合镀层中分布均匀。较高温度退火后复合镀层发生晶化现象，在Ni-P基复合镀层中还有Ni_3P硬质相析出，使复合镀层的硬度明显提高。 利用维氏硬度计测量复合镀层的显微硬度，在销—盘式磨损试验机上测试了电沉积Ni-CNT和Ni-P-CNT复合镀层复合镀层的干摩擦磨损性能，并采用扫描电子显微镜(SEM)观察了复合镀层的表面磨损形貌。试验结果表明：在镀液中相同CNT 浙江大学硕士学位论文 摘要 浓度下，Ni一CNT复合镀层中的CNT体积分数比Ni一P一CNT镀层中CNT管体积分数 高。电化学沉积Ni一P一CNT复合镀层的耐磨性能都优于Ni一CNT复合镀层。复合镀层 的硬度较高，且随着复合镀层中纳米碳管体积分数的增加，复合镀层的硬度逐渐升 高。复合镀层的摩擦系数较小，在0.1一0.3范围之内，且复合镀层的磨损率和摩擦 系数随着镀层中纳米碳管体积分数的增加而降低。这说明纳米碳管在复合镀层中的 均匀分布对镀层起到了强化的作用，提高了镀层的硬度。同时，纳米碳管还具有自 润滑性质，在摩擦磨损过程中起到了良好的减摩作用。镍基纳米碳管复合镀层是一 种具有优良摩擦磨损性能的先进复合材料。