| 题名 | 类金刚石碳基复合润滑薄膜抗沙尘损伤设计与摩擦学行为 |
| 作者 | 亓健伟 |
| 学位类别 | 工学博士 |
| 答辩日期 | 2012-05-29 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 导师 | 阎逢元 ; 王立平 |
| 关键词 | 固体润滑薄膜 沙尘环境 磨粒磨损 软硬交替多层膜 摩擦学性能 Solid lubricant coating sand-dust environment abrasive wear alternate hard and soft multilayer tribological performance |
| 学位专业 | 材料学 |
| 中文摘要 | 沙尘环境和月尘环境是人类生产生活和月球探索经常或必须要面对的特殊环境，目前，对于固体润滑薄膜在尘埃环境中损伤和摩擦学行为的研究还鲜有系统工作。本论文基于碳基固体润滑复合薄膜的抗沙尘损伤薄膜成分和结构设计，采用磁控溅射技术成功制备了 MoS2，类金刚石（DLC）和类石墨（GLC）固体润滑薄膜。选用自然环境中的沙样作为磨粒，系统考察了上面几种固体润滑薄膜在无沙环境和沙尘环境下的摩擦学性能，同时也考察了沙尘颗粒对几种固体润滑薄膜与液体润滑剂复合润滑体系摩擦学性能的影响。明确了载荷、频率、沙粒粒径和沙尘浓度等因素对固体润滑薄膜材料摩擦学性能的影响，深入分析并探讨了固体润滑薄膜在沙尘环境中磨损破坏的失效机制，主要结论如下： 1. 对于低硬度固体润滑薄膜，溅射 MoS2薄膜具有远低于粘结薄膜的摩擦系数和磨损率。沙尘颗粒一定程度上提高了几种薄膜的稳态摩擦系数和磨损率，但是降低了其初始摩擦系数。由于薄膜的低硬度，沙粒的存在致使薄膜表面出现大量切削犁沟，出现典型的二体磨损特征。溅射薄膜的致密结构和致密转移膜的形成是其磨损率低于粘结薄膜的主要因素。 2. 高硬度a-C:H薄膜具有相对较高的摩擦系数，但其磨损率比较低。沙尘环境下薄膜的摩擦系数低于干摩擦无沙尘环境，原因是沙尘颗粒在摩擦区域上的滚动效应使得摩擦过程由滑动变为滚动摩擦，从而降低了摩擦力。由于 a-C:H 薄膜的硬度较高，沙尘颗粒不易于刺入薄膜表面也会导致颗粒的滚动效应增强。沙尘浓度的增大都会致使 a-C:H 薄膜的摩擦系数和磨损率降低，沙尘粒径对 a-C:H 薄膜摩擦学性能影响不明显，这点可以用―临界尺寸‖理论解释。 a-C:H薄膜的高内应力，以及硬质沙尘颗粒的存在，使得薄膜易于出现脆性断裂和层状剥落。 3. 掺杂改性 TiC/a-C:H 薄膜同样出现沙尘环境下摩擦系数低于无沙环境的情况，原因也是颗粒的滚动效应所致。薄膜纳米结构中的 TiC纳米晶粒及柱状晶生长导致的高粗糙度使得薄膜的摩擦系数波动较大且稍高。沙尘浓度增大使得TiC/a-C:H薄膜的摩擦系数减小，而磨损率增大。沙尘粒径变化对 TiC/a-C:H 薄膜的摩擦学行为影响不明显。由于 TiC/a-C:H 薄膜硬度高，内应力大，磨损形貌同样存在脆性断裂和层状剥落。 4. 高硬度固体润滑薄膜与液体润滑剂的复合润滑体系具有远远优于单独润滑时的减摩抗磨性能。沙粒的存在提高了复合润滑体系的摩擦系数和磨损率。复合润滑体系的摩擦学性能与固体润滑薄膜本身，液体润滑剂的粘度、润湿性和粘附功有着极大的关系。复合润滑的润滑机制不完全归因于转移膜的形成，而主要是归因于固体-液体复合润滑良好的协同效应。 5. 软硬交替多层DLC/MoS2薄膜集合了硬质DLC薄膜的高耐磨性能和软质MoS2薄膜的高减摩性能，而且在高真空环境下出现超润滑性能，摩擦系数达到 0.001。沙尘环境下的摩擦寿命是单一 DLC 或MoS2薄膜的5倍之多。 |
| 公开日期 | 2013-04-01 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://210.77.64.217/handle/362003/2808]  |
| 专题 | 兰州化学物理研究所_固体润滑国家重点实验室 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 亓健伟. 类金刚石碳基复合润滑薄膜抗沙尘损伤设计与摩擦学行为[D]. 中国科学院研究生院. 2012. |
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