类金刚石纳米薄膜的表面摩擦规律及磨损模型

为了研究类金刚石（Diamond-like carbon,DLC）薄膜的表面摩擦机制及磨损规律,首先通过对晶体碳高温熔化和快速淬火的方式,使用分子动力学模拟制备出DLC薄膜,然后利用半球形压头对薄膜表面进行摩擦刻划。制备得到的DLC薄膜密度为2.72 g·cm^-3,碳原子sp²、sp³杂化比例分别为37.1%和60.4%。摩擦结果表明,较低压力载荷下磨损率随着载荷力增加而线性增加,与宏观Archard模型一致;摩擦速度的不同会导致材料被加工表面应力分布及切削深度不同,造成磨损率随着摩擦速度的增加而下降,与实验结果相符;当薄膜含有Si原子夹杂且原子含量从0%增加至25%时,磨损率则先上升后下降。最后建立在压头固定载荷为50 nN下描述摩擦速度、材料夹杂含量与磨损率三者关系的磨损模型,建立的磨损模型与仿真模拟相对误差在10%以内;利用模型得到在压头的载荷和摩擦速度不变时,薄膜磨损率最小值对应的Si夹杂含量为7.2%,这一模型为工程在线预测夹杂含量提供了较简单方便的手段。