自配副铜的离子液体-化学镀银膜复合润滑

目的考察高接触应力下自配副铜在离子液体-银膜(化学镀银膜和电镀银膜)复合润滑下的摩擦学性能,比较化学镀银膜与电镀银膜的差别。方法在T2铜表面分别制备了化学镀银膜和电镀银膜,采用栓盘接触式往复滑动摩擦磨损试验机,在平均赫兹接触应力为0.77 GPa和滑动速率为0.76 mm/s的条件下,评价了两种银膜(盘)与铜(栓)在离子液体LP108润滑下的摩擦学性能。结果在无润滑条件下,自配副铜出现高摩擦系数(2.5)、严重粘着磨损。相同条件下,在含磷氟的LP108润滑下,自配副铜发生中等程度的粘着磨损。银膜和离子液体复合润滑可有效改善自配副铜的摩擦学性能,电镀银膜的稳态摩擦系数为0.5左右,而化学镀银膜抗粘着性能更佳,其摩擦系数为0.3左右。结论离子液体-银膜复合润滑有效降低了自配副铜在高接触应力下的粘着,从而改善了摩擦学性能。在离子液体润滑下,化学镀银膜在摩擦界面形成数十纳米厚的转移膜(栓)和摩擦层(盘),从而有良好的抗粘着性能。     

C2H2流量对反应溅射石墨制备非晶碳膜层结构及性能影响研究

目的 研究反应溅射石墨制备非晶碳过程中乙炔流量变化对非晶碳微观结构、力学性能及摩擦学性能的影响规律。方法 通过在乙炔气氛中反应溅射石墨靶,调控乙炔流量,制备不同结构的非晶碳膜层,采用X射线光电子能谱仪、激光共聚焦拉曼光谱仪分析膜层的微观结构,采用纳米压痕仪表征膜层的力学性能,采用球盘式摩擦磨损试验机、白光干涉仪和光学显微镜表征膜层摩擦学性能。结果 通过反应溅射法制备了致密均匀的非晶碳,分析发现,所有薄膜表层均含有一定量O元素(原子数分数为6.36%~13.86%)。经Ar⁺刻蚀后,大部分膜层的O含量可降至1%以下;随着乙炔流量的增加,膜层的硬度(H)、弹性模量(E)和H³/E²均呈先增后减的趋势,在乙炔流量为10 cm³/min时膜层的硬度和弹性模量达到最大值,分别为27.93、233.55 GPa;摩擦学性能测试结果显示,膜层的平均摩擦因数在0.09~0.11之间,在启动阶段摩擦因数随着氢元素(H)含量的增加呈下降趋势,5 cm³/min试样的膜层的耐磨性最高、磨损量最小,其磨损量为0.72× 10⁻¹⁶ m³/(N.m)。结论 通过调节反应溅射石墨过程中乙炔的流量,可调控非晶碳中sp³/sp²、H含量,进而达到调控非晶碳力学性能、摩擦学性能的目的。     

类富勒烯/非晶多层碳膜的制备及性能

针对碳基薄膜存在的高应力问题,利用单极脉冲等离子体增强化学气相沉积技术在单晶硅衬底上制备了含氢类富勒烯/非晶层交替构成的类金刚石多层膜。采用高分辨透射电子显微镜和激光拉曼光谱仪分析了多层膜的结构特征;用X射线光电子能谱分析了薄膜的化学键状态;用纳米压痕仪测定了薄膜的硬度和弹性模量;在CSM往复式摩擦磨损试验机上考察了薄膜在大气下的摩擦学性能,同时比较了多层膜与非晶、类富勒烯薄膜的力学性能和摩擦磨损性能。结果表明:多层膜的硬度高于非晶和类富勒烯单层薄膜,达到28.78GPa;在大气环境下与Si3N4球对摩时平均摩擦因数略低于类富勒烯单层膜,耐磨性明显优于单层非晶和类富勒烯薄膜。     

掺杂类金刚石薄膜微观结构和摩擦学性能的研究进展

类金刚石(Diamond like carbon,DLC)薄膜具有高硬度、低摩擦系数、低磨损率的特点,已广泛应用于各行各业,但也存在内应力大、热稳定性差以及摩擦学性能对环境敏感等问题,制约了DLC薄膜的应用.在DLC薄膜中,掺入异质元素能够改变薄膜成分、微观结构和sp3杂化键含量,可有效地减小薄膜内应力,提高结合力并改...     

PVD涂层技术制备类金刚石薄膜及性能研究综述

介绍了采用物理气相沉积(PVD)技术制备类金刚石涂层的方法,进而论述了涂层的摩擦磨损和结合力等性能的研究现状和发展前景。分析并综述了类金刚石涂层的技术发展,以及制备类金刚石薄膜的方法和影响其性能的多种要素。表面涂有类金刚石薄膜的工件具有较高的硬度、良好的热传导率、极低的摩擦系数、优异的电绝缘性能等。类金刚石薄膜(DLC Films)是近年来兴起的一种以sp3和sp2键的形式结合生成的亚稳态材料,因其优异的减摩和抗磨性能,在摩擦学领域获得了广泛应用,是一种与金刚石涂层性能相似的新型薄膜材料。DLC涂层的性能研究大多集中在它的摩擦学特性和结合力性能,并且作为优质的涂层材料已被广泛应用于汽车、模具、刀具等领域。     

Zr掺杂类金刚石薄膜摩擦性能及耐腐蚀性能的影响

目的改善不锈钢摩擦性能及耐腐蚀性能。方法通过线性阳极层离子源辅助非平衡磁控溅射法,制备了不同Zr含量的类金刚石(DLC)薄膜,采用扫描电子显微镜、拉曼光谱仪、纳米硬度仪、高温销盘磨损仪、电化学工作站,对薄膜的化学成分、显微结构、纳米硬度、薄膜摩擦性能及耐腐蚀性能进行测试研究。结果随着Zr靶功率的增大,Zr含量线性增加。Zr含量从4.9%增加至16.3%时,I_D/I_G增大,薄膜硬度从12.1 GPa逐渐下降至8.4 GPa;Zr含量增大至21.2%时,I_D/I_G减小,薄膜硬度增大至11.4 GPa。涂镀类金刚石薄膜的不锈钢基体比无涂层的不锈钢基体有更低的摩擦系数,更好的耐磨损性能。Zr掺杂DLC薄膜的最小摩擦系数为0.07。Zr含量从4.9%增加至16.3%,DLC薄膜的耐腐蚀性能减弱;Zr含量继续增加,DLC薄膜的耐腐蚀性能增强。当Zr含量不大于11.9%时,沉积Zr掺杂DLC膜的不锈钢基体的耐腐蚀性能比不锈钢基体的更强。结论 Zr含量不大于11.9%时,Zr掺杂类金刚石薄膜既可以有效地改善不锈钢基体的摩擦磨损性能,又可以大幅提高耐腐蚀性能。     

DLC基纳米多层膜摩擦学性能的研究进展与展望

类金刚石（DLC）薄膜是一种良好的固体润滑剂,能够有效延长机械零件、工具的使用寿命。DLC基纳米多层薄膜的设计是耐磨薄膜领域的一项研究热点,薄膜中不同组分层具备不同的物理化学性能组合,能从多个角度（如高温、硬度、润滑）进行设计来提升薄膜力学性能、摩擦学性能以及耐腐蚀性能等。综述了DLC多层薄膜的设计目的与研究进展,以金属/DLC基纳米多层膜、金属氮化物/DLC基纳米多层膜、金属硫化物/DLC基纳米多层膜以及其他DLC基纳米多层膜为主,对早期研究成果及现在的研究方向进行了概述。介绍了以上几种DLC基纳米多层膜的现有设计思路（形成纳米晶/非晶复合结构、软/硬交替沉积,诱导转移膜形成,实现非公度接触）。随后对摩擦机理进行了分析总结：1）层与层间形成特殊过渡层,提高了结合力;2）软/硬的多层交替设计,可以抵抗应力松弛和裂纹偏转;3）高接触应力和催化作用下诱导DLC中的sp3向sp2转化,形成高度有序的转移膜,从而实现非公度接触。最后对DLC基纳米多层膜的未来发展进行了展望。     

高功率脉冲磁控溅射制备纳米复合高熵碳化物(CuNiTiNbCr)C_(x)薄膜EI北大核心CSCD

高熵碳化物薄膜的脆性限制了其在高承载、长周期服役条件下的应用。精细设计的纳米复合结构可以在不损失薄膜强度前提下显著提高薄膜的韧性。采用高功率脉冲磁控溅射技术制备以非晶为基体连续相,以碳化物陶瓷相为分散相的非晶-晶体的高熵碳化物(CuNiTiNbCr)C_(x)薄膜,研究不同C_(2)H_(2)气体流量(F_(C))对薄膜成分、结构、力学性能和摩擦学性能的影响。采用能谱仪、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、透射电子显微镜、X射线光电子能谱分析薄膜的成分、形貌、结构及各元素的化学状态,进一步采用纳米压痕以及球-盘式摩擦磨损试验机对薄膜的硬度、模量和摩擦磨损性能进行表征。结果表明,随着乙炔气体流量的增加,薄膜中碳含量逐渐增加,结构从非晶转变为非晶-晶体的纳米复合结构。纳米复合结构薄膜的硬度随着乙炔流量的增加逐渐增加,这是因为薄膜中生成大量碳化物陶瓷相,薄膜硬度最高为20 GPa。纳米复合薄膜呈现优异的摩擦学性能,在F_(C)=3 mL/min时,薄膜的摩擦性能达到最优,其磨损量为2.9×10^(-6)mm^(3)/Nm。综上,采用高功率脉冲磁控溅射技术可以精细调控薄膜结构,制备出强韧一体化、耐磨减摩的纳米复合结构(CuNiTiNbCr)C_(x)薄膜。     

不同Ti含量类石墨碳膜干摩擦磨损性能研究

目的提高高速钢的干摩擦学性能,探究不同Ti含量掺杂对类石墨碳膜摩擦性能的影响。方法用非平衡磁控溅射离子镀技术制备了不同Ti含量的类石墨碳膜,用光学显微镜、扫描电子显微镜、Raman光谱、洛氏硬度计、纳米压痕仪等分析薄膜的微观结构和力学性能,用高速线性往复磨损试验机检测薄膜的干摩擦学性能,并用光学显微镜观察磨痕。结果制备的碳膜表面颗粒尺寸较小,断面致密,且逐渐趋向柱状结构。随着Ti靶溅射电流的增大,逐渐增加的Ti元素打断了sp~3键生长,薄膜中生成更稳定的sp~2键,且sp~2键含量先增大后减小,在0.8 A达到最大,溅射电流为1.1 A时,Ti元素含量最大,sp~2键和sp~3键都减少。碳膜与基体结合力随着Ti靶电流变大而先增大后减小,在0.8 A结合最佳,约为HF3级。硬度和弹性模量先减小后增加,0.8 A时达到最小。碳膜摩擦系数相比于原样都较低,在0.09~0.12之间。磨损率先增大后减小,维持在(5~15)×10~(-16) m~3/(N·m)左右。结论不同Ti含量的类石墨碳膜,能明显降低高速钢与钢球对磨的粘着磨损倾向,降低摩擦系数和磨损率。     

非平衡磁控溅射沉积类石墨碳膜结构及其摩擦学性能

利用非平衡磁控溅射技术在单晶硅基底上沉积了类石墨非晶碳膜。利用X射线光电子光谱、Ram an光谱、高分辨透射电子显微镜及原子力显微镜对沉积薄膜的微观结构进行了详细表征;利用纳米压痕仪和球盘摩擦试验机分别对其力学性能和摩擦学性能进行了测试。结果表明,当前制备的非晶碳膜中sp2杂化碳占主导呈现出类石墨特征,但薄膜硬度可达14.2 GPa。大气环境中的摩擦性能测试表明,所制备的类石墨非晶薄膜具有优异的摩擦学性能:其承载能力高达2.8 GPa,同时具有较低摩擦因数(~0.05)和磨损率(~10-11cm3/Nm)。类石墨碳膜优异的摩擦学性能主要归因于其独特的结构、较低的内应力及良好的热稳定性。     

钨含量和摩擦条件对掺钨DLC涂层摩擦性能的影响

考察钨含量和摩擦条件对掺钨DLC涂层摩擦性能的影响。结果发现:随着钨含量的增加,DLC涂层摩擦系数明显增加;钨含量为3.1%(原子分数)的掺钨DLC涂层的耐磨性最好。在干摩擦条件下,低钨含量的DLC涂层摩擦系数随着载荷的增加而有所增加,高钨含量的DLC涂层在高载荷时具有较低的摩擦系数;高钨含量的DLC涂层的摩擦系数随着转速的增加而增加,但转速对纯DLC涂层的摩擦系数影响很小。掺钨DLC涂层的磨损主要是由Si3N4球压入试样表面时涂层在变形过程中的微观断裂和剥落引起的。     

选择性键合金属-类金刚石复合薄膜的性能研究

目的研究具有选择性键合作用的掺杂金属元素(Cu、Al、Ti)对类金刚石(DLC)薄膜的结构和摩擦学性能的影响。方法以高纯石墨及其与金属复合靶作为靶材,采用离子源镀膜技术分别在n-型(100)单晶硅片和抛光304不锈钢片基体上制备金属-DLC复合膜。采用514.6 nm氩离子激发源的Raman光谱仪,对金属-DLC复合薄膜进行拉曼光谱分析。采用努氏硬度计和表面轮廓仪测量计算薄膜的硬度和残余应力。采用原子力显微镜(AFM)观察DLC薄膜的表面形貌和结构。使用球-盘滑动磨损试验机对DLC复合薄膜进行摩擦学性能分析。结果类金刚石薄膜中掺入不同金属元素掺杂后,摩擦系数保持相对稳定,但磨损率存在较大差异。无掺杂DLC膜中的sp~3键含量最高,薄膜硬度高,残余应力大,在摩擦过程中易脱落。Ti-DLC金属复合膜的表面质量最好,结构致密,残余应力释放的同时保持较高的硬度,测得其磨损率最低,为0.13×10~(-15) m~3/nm。结论通过在DLC膜中掺杂不同键合能力的金属元素能够调控DLC薄膜的微观结构,改善薄膜的力学性能(硬度、残余应力),提高薄膜的抗磨损性能。薄膜的摩擦学性能与薄膜的微观结构与金属掺杂元素的存在形态有关。     

不同掺杂对类金刚石薄膜的影响

目的研究单掺Si和共掺Ag、Si对类金刚石薄膜的结构、摩擦学性能和耐腐蚀性能的影响。方法以高纯石墨靶、石墨与金属复合靶、Si靶作为靶材,采用射频增强磁控溅射技术制备不同掺杂种类的薄膜。通过XPS、拉曼光谱仪对薄膜的化学组成和结构进行分析,通过纳米压痕仪、摩擦磨损试验机、电化学工作站等,对薄膜的力学性能、摩擦学性能及耐腐蚀性能进行了系统研究。结果 Si元素单掺DLC会引起薄膜中sp~3C含量增加。Ag、Si共掺DLC后,由于Ag以金属相分布在薄膜中,并促进sp~2相的形成,导致sp~3C含量降低。掺杂元素后的DLC薄膜,硬度下降,但韧性提高,其中Ag、Si共掺的DLC薄膜的弹性恢复系数达到79%。此外,Ag、Si共掺DLC薄膜在多种气氛(Ar、O_2、N_2)中都具有优异的摩擦学性能,磨损寿命均超过30 min,其中在N_2气中的摩擦系数最低(0.1),并在NaCl溶液中的腐蚀电流密度比304不锈钢基体降低了近2个数量级,具有良好的耐腐蚀性。结论 Si与Ag共掺DLC薄膜较Si单掺薄膜具有更好的摩擦环境适应性和耐腐蚀性能。     

含硅无氢非晶碳基薄膜的摩擦磨损性能

为了研究Si掺杂对无氢非晶碳基薄膜摩擦磨损性能的影响,利用直流磁控溅射技术在单晶硅和304不锈钢基底上沉积不同Si含量的无氢非晶碳基薄膜。采用SEM、Raman光谱、纳米压痕仪等分析手段对薄膜的成分、结构和力学性能进行表征。利用球盘式往复摩擦试验机测试薄膜在无润滑条件下的滑动摩擦磨损性能。结果表明:Si掺杂能降低薄膜内应力和促进sp3杂化,高于10%的Si原子导致薄膜硬度增加。在不同湿度条件下,Si掺杂并未明显影响溅射无氢非晶碳基薄膜的摩擦因数;相反,含Si薄膜在不同测试条件下都具有较高的磨损速率。薄膜磨损速率随相对湿度增加而减小,随Si含量增加而增加;高Si含量薄膜在低湿度条件下具有明显不稳定的摩擦因数和显著增加的磨损速率。这意味着在设计和发展性能优异的无氢非晶碳基摩擦学涂层时,应充分考虑Si掺杂导致的性能损失。     

Evaluation offing surfaces with several coatings for friction, wear and scuffing life

Friction and wear of the sliding components in an automobile cause an increase in both fuel consumption and emission. Many engine components involved with sliding contact are all susceptible to scuffing failure at some points during their operating period. Therefore, it is important to evaluate the effects of various surface coatings on the tribological characteristics of the piston ring and cylinder block surface of a diesel engine. Wear and scuffing tests were conducted using a friction and wear measurement of the piston ring and cylinder block in a low friction diesel engine. The frictional forces, wear amounts and cycles to scuffing in the boundary lubricated sliding condition were measured using the reciprocating wear tester. The tester used a piece of the cylinder block as the reciprocating specimen and a segment of the piston ring material as the fixed pin. Several coatings on the ring specimen were used, such as DLC, TiN, Cr-ceramic and TiAlN, in order to improve the tribological characteristics of the ring. The coefficients of friction were monitored during the tests, and the wear volumes of the piston ring surfaces with various coatings were compared. Test results show that the DLC coating exhibits better tribological properties than the other coatings. The graphite structure of this coating is responsible for the low friction and wear of the DLC film. The TiN and DLC coatings show better scuffing resistance than the other coatings. The TiN and Cr-ceramic coated rings show good wear resistance and high friction.     

碳含量对中频磁控溅射沉积MoCN涂层微观结构及摩擦学性能的影响

目的 为了大幅提高机械零部件表面的硬度和耐磨性能,探究制备具有低摩擦因数、高硬度和良好耐磨性的MoCN涂层。方法 采用中频磁控溅射技术在不锈钢基板和硅片上,通过控制C₂H₂气体(纯度99.99%,0、3、6、9 mL/min)的量来制备具有不同含碳量的MoCN纳米复合涂层。通过X射线衍射仪和拉曼光谱仪分析涂层主要的物相结构,采用扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)表征涂层的表面和断面形貌。采用连续刚度法,利用纳米压痕仪测试涂层的纳米硬度和弹性模量。利用自动划痕试验机和光学显微镜(OM)评估涂层与基体之间的黏附强度。最后利用多功能摩擦磨损试验机进行磨损试验,通过SEM对试验后的涂层进行磨损形貌分析,并对涂层的摩擦学性能进行评价。结果 涂层微观组织和力学性能表征结果表明,MoCN涂层由MoN相和非晶态碳相组成。随着涂层中碳含量的增加,涂层与基体之间的结合力和涂层表面的粗糙度都呈现逐渐减小的趋势,其涂层的划痕失效临界载荷和表面粗糙度的最小值分别为6.90 N和6.80 nm,但是涂层的纳米硬度从7.36 GPa增至10.23 GPa。摩...     

纳米晶体Ti表面磁控溅射SiC薄膜的干摩擦学性能

采用室温磁控溅射技术在纳米晶体钛(剧烈塑性变形制备)表面制备出碳化硅(SiC)薄膜,研究SiC薄膜的组织结构、纳米压痕行为和摩擦磨损性能。结果表明:SiC薄膜具有纳米尺度"畴"特征的表面形貌、高含量Si-C键、与基材间具有明显且呈梯度的元素扩散、低的纳米硬度(10.62GPa)、低的弹性模量(83.34GPa)和高的硬模比(0.128)。在1.96N载荷、氮化硅球(半径为2mm)为对摩件、室温空气条件下,其磨损速率为10-5mm3.m-1.N-1级、摩擦系数约为0.162,磨损后薄膜不出现裂纹和剥落。     

Enhanced tribological properties of PECVD DLC coated thermally sprayed coatings

This research investigates the enhancement of the tribological properties of various thermally-sprayed coatings (APS Ni-50Cr, APS Al₂O₃-13%TiO₂ and HVOF WC-17Co) on steel substrate, achieved through the deposition of a thin DLC-based film. Higher adhesive strength between thin films and thermally-sprayed coatings compared to the simple thin film/carbon steel system was found by scratch testing. Dry sliding ball-on-disk tests performed under lower contact pressure conditions (5 N normal load, 6 mm diameter alumina ball) indicated a significant decrease in wear rates and friction coefficients of thermally-sprayed coatings when the thin DLC-based film is employed; little differences exist between the tribological behaviour of the various thin film/thermal spray coating systems and that of DLC-based film on carbon steel. Under higher contact pressure conditions (10 N normal load, 3 mm diameter alumina ball), the thin film/WC-Co system exhibited the best wear performance. These results indicate the superior tribological performance of DLC/thermal spray coating systems, especially under severe contact conditions.     

Mechanical and tribological evaluation of PVD WC/C coatings

Five different WC/C coatings deposited by physical vapour deposition (PVD) on high speed-steel (HSS) have been evaluated with respect to their mechanical and tribological properties. For all coatings a chromium layer was deposited first to enhance coating adhesion. The carbide phase (WC) and the carbon (C) phase were deposited simultaneously by direct-current magnetron sputtering of a WC target and plasma-assisted chemical vapour deposition using hydrocarbon gas, respectively. The influence of the chromium interface layer thickness, the amount of WC phase and the flow of hydrocarbon gas on the mechanical and tribological properties of the coatings have been investigated. The coatings have been characterised with respect to their chemical composition (glow discharge optical emission spectroscopy), hardness (Vickers microhardness), morphology (scanning electron microscopy, SEM), roughness (profilometry), residual stress (beam bending), critical load (scratch testing) and abrasive wear resistance (the “dimple grinder test”). Furthermore, a ball-on-plate test was employed to obtain information about the frictional properties and sliding wear resistance of the coatings. The wear mechanisms and wear debris were analysed by SEM, Auger electron spectroscopy and electron spectroscopy for chemical analysis. All WC/C coatings displayed a thickness between 2 and 4 μm and a surface roughness in the range of 10 to 70 nm. The hardness varied between 1500 and 1800 HV. The coating residual stress was found to range from −2.5 to −0.5 GPa. The scratch test revealed a relatively high critical normal load, i.e., a relatively good adhesion of the WC/C coatings to the HSS. The abrasive wear resistance was found to be very high, in fact equally as high as that of PVD TiN. In the sliding wear test it could be seen that the coating containing the lowest amount of carbide phase (WC), i.e., the highest amount of carbon phase (C), and which had the highest compressive residual stress yielded the lowest friction and wear rate against steel. In addition, this coating was also found to yield the lowest wear rate of the counter material. In summary, a WC/C coating with overall good mechanical and tribological properties was obtained provided a relatively thin chromium layer was deposited first and if a relatively high acetylene gas flow was utilised during deposition of the WC/C layer.     

载荷、摩擦副及介质环境对多层Ti掺杂类石墨薄膜的摩擦学行为影响EI北大核心CSCD

针对非晶碳基薄膜高内应力和低膜基结合强度的问题,采用闭合场非平衡磁控溅射系统在316L不锈钢基体上制备多层结构掺杂类石墨薄膜(GLC),探究载荷、摩擦副和介质环境对薄膜摩擦学行为的影响。结果表明,制备得到的多层结构GLC薄膜结构致密均匀,膜基之间没有明显缺陷,且力学性能良好。薄膜在干摩擦条件下的摩擦因数曲线呈明显的三阶段特征,分别对应于轻微的磨粒磨损、薄膜的剥离以及对磨球上碳质转移膜的形成。薄膜的平均摩擦因数随载荷的增加而显著提高,磨损率呈先减小后增大的趋势。相对于ZrO_(2)陶瓷球,Si_(3)N_(4)陶瓷球因其较高的黏着倾向和较大的赫兹接触半径导致其较高的摩擦因数和磨损率。GCr15金属球因其较低的硬度,导致碳质转移膜随金属磨削的剥离而脱落,造成相对较高的摩擦因数和磨损率。相对于室温空气环境下,GLC薄膜在NaCl溶液中由于受到水溶液的冲洗和腐蚀介质Cl^(-)的侵蚀,导致薄膜从基体的快速剥离,造成更高的摩擦因数和磨损率。研究成果可为提高非晶碳基薄膜在不同工作环境下的服役寿命和使用效率提供理论指导。