类富勒烯碳膜摩擦学性能及结构演变研究.doc

类富勒烯碳膜摩擦学性能及结构演变研究摩擦是从古至今人类日常生活中普遍存在的现象,在机械运动中具有重大的科学和工程意义。随着当今飞速发展的科学技术,摩擦导致的材料损耗和能源浪费,逐渐成为限制机械运动效率和机械零部件寿命的关键因素。在众多减摩抗磨材料中,类金刚石碳薄膜以其优异的摩擦学和力学性能引起了全世界范围内的广泛研究。特别地,在研究类金刚石薄膜的过程中,研究者发现了镶嵌在非晶碳网络中的一种独特结构碳膜材料,即类富勒烯(fullerene-like)微结构。类富勒烯纳米结构是一种卷曲和交联的石墨平面组成的微结构,赋予薄膜优异的弹性回复特性和适当的硬度。因此,含类富勒烯微结构的碳膜是一种理想的润滑候选材料。本论文通过改变能量供应方式考察薄膜硬度与弹性和类富勒烯团簇之间的关系;探究类富勒烯薄膜结构随沉积时间演变过程和摩擦学性能随沉积时间变化规律;以及探索随摩擦载荷类富勒烯碳薄膜摩擦学性能变化规律,结果如下:通过改变能量供应方式(直流和脉冲)和氢气浓度,研究了硬度与弹性和类富勒烯团簇之间的关系。得出以下结论:(1)大多数H原子分布在无定形碳中,少量分布在类富勒烯微结构中。(2)高浓度的H环境降低了石墨基平面的弯曲度和交联度,抑制了它们的生长。(3)直流电源方式易诱导大的石墨片层的形成,脉冲方式则倾向于导致石墨层的弯曲度和交联度。差异形成的原因可能是低温下薄膜生长系统在很短的脉冲周期内能量有明显变化。通过改变薄膜沉积时间,探究类富勒烯碳薄膜结构演变和摩擦学性能随沉积时间变化规律。结果表明:碳薄膜内类富勒烯结构含量随沉积时间先增加后保持不变。采用沉积时间为3h的类富勒烯碳薄膜组成摩擦配伍对,其摩擦系数随载荷增加由低摩擦向超滑转变,并形成有利于减少摩擦的类球状或外部石墨壳层闭合的纳米颗粒。通过自配对类富勒烯碳膜摩擦实验,发现随着载荷增大,磨痕面积减小,摩擦膜厚度增大,形成了更完美的石墨化组织,从而明显减小了真实接触面积,降低了摩擦系数。