【摘 要】
:
性能优异的高温润滑薄膜广泛应用于现代工业和航空航天等领域,对提高机械零部件的使用寿命且降低其高温下的摩擦磨损具有重要意义。类金刚石薄膜(DLC)具有优异的机械性能和摩擦学性能,但DLC薄膜在高温下由于其内部本身的亚稳态结构而难以保持稳定,并在高温下容易发生氧化和石墨化转变等现象而失效剥落。为了改善DLC薄膜在高温下的减磨耐磨性能,本文在不锈钢表面进行掺杂DLC薄膜的制备并研究其结构和摩擦学性能。首
【基金项目】
:
国家自然科学基金资助项目(51775191); 广东省自然科学基金(2021A1515012266); 清华大学摩擦学国家重点实验室开放基金资助项目(SKLTKF19B13);
论文部分内容阅读
性能优异的高温润滑薄膜广泛应用于现代工业和航空航天等领域,对提高机械零部件的使用寿命且降低其高温下的摩擦磨损具有重要意义。类金刚石薄膜(DLC)具有优异的机械性能和摩擦学性能,但DLC薄膜在高温下由于其内部本身的亚稳态结构而难以保持稳定,并在高温下容易发生氧化和石墨化转变等现象而失效剥落。为了改善DLC薄膜在高温下的减磨耐磨性能,本文在不锈钢表面进行掺杂DLC薄膜的制备并研究其结构和摩擦学性能。首先,采用直流和射频磁控溅射复合沉积的方式在不锈钢表面制备了含氢DLC薄膜,通过变量控制法探究了乙炔通量和基底偏压对薄膜性能的影响,在此基础上进一步制备了膜层致密的Cr-DLC薄膜,并分析其常温和高温下的摩擦学性能。结果表明,铬掺杂能够提高薄膜的膜基结合力,但同时会导致薄膜的硬度略微下降。当Cr含量在3.34at.%时,Cr-DLC薄膜在摩擦过程中的摩擦接触面形成稳定的转移膜,摩擦系数较低,另外Cr掺杂使薄膜耐高温性能提升,维持薄膜在250℃下摩擦而不被破坏。其次,为了进一步提高金属元素掺杂DLC薄膜的高温摩擦学性能,制备了Ti-DLC薄膜,并分析不同Ti含量对Ti-DLC薄膜结构和摩擦学性能的影响。结果表明,随着Ti含量的增加,薄膜硬度从9.89 Gpa逐渐上升到13.87 Gpa,膜基结合力也不断增大。当Ti含量为5.76 at.%时,Ti-DLC薄膜在300℃的高温下依旧能保持0.087的平均摩擦系数,同时保持较低的磨损率,当进一步升高温度到350℃时,观察到薄膜部分区域发生严重的剥落现象,但是在转移膜的作用下,依旧能稳定维持较低的摩擦系数。最后,利用高功率脉冲磁控溅射(Hi PIMS)技术在不锈钢表面制备了机械性能优异的Si-DLC薄膜,并分析不同Si含量对Si-DLC薄膜的微观形貌和力学特性以及常温和高温环境下的摩擦学性能的影响。结果表明,薄膜硬度最高达25.39 Gpa,且经过大幅度的弯折后依旧保持完好,表现出优异的韧性和延展性。当Si含量为15.38 at.%时,Si-DLC薄膜具有最优的摩擦学性能,在300℃的高温下摩擦系数维持在0.1附近,当Si含量进一步升高时,薄膜的机械性能随之提升,但摩擦学性能却有着明显的下降。Si-DLC薄膜中的四面体碳化硅结构能够提升sp~3键的稳定性,此外薄膜中的硅元素在高温摩擦时能形成氧化硅保护层,减缓DLC薄膜和过渡层的氧化,使得薄膜能够在高温下能够继续保持稳定。
其他文献
随着信息技术的飞速发展,数据中心的规模不断扩大。为处理庞大的数据量,更多高性能服务器被投入使用。高性能意味着更高的功耗以及更大的发热量,传统空调冷却系统难以满足巨大的散热需求,而目前针对服务器的液冷散热技术存在液冷板结构复杂、制造成本高、周期长等问题,不利于液冷散热技术的推广应用。为解决以上问题,本文提出面向服务器芯片散热的吹胀型液冷板。研究内容如下:(1)根据某2U高性能服务器CPU芯片的热管理
受太空发射成本的限制,轻量化已经成为航天器大型结构的必然选择。大型柔性结构由于刚度低,阻尼小,在太空中各种外力和内力的影响下,振动一旦被激起则需要持续很久才能完全衰减,严重影响了航天器柔性结构的强度和稳定性,甚至导致航天任务失败。因此,通过设计合理有效的控制策略来抑制柔性铰接板振动激励及对已经激励的振动进行快速主动抑制方法的研究是十分有必要的。本文主要进行了以下研究:(1)以柔性铰接薄板为研究对象
本文针对橡胶隔振器,分别从疲劳寿命预测模型建立、道路载荷谱采集、前处理与编辑技术、台架试验以及寿命预测等方面进行研究,旨在缩短橡胶隔振器的疲劳设计周期,提高设计开发效率。将本文提出的方法应用于橡胶隔振器的疲劳寿命预测模型建立以及台架试验当中,可以有效地降低产品的开发成本,具有较高的工程应用价值。本文主要完成了以下工作内容:(1)以哑铃型橡胶试柱为试验试件,开展了隔振器橡胶材料的单轴疲劳试验。根据隔
汽车橡胶隔振器在随机载荷循环作用下,其橡胶部位容易发生疲劳失效。橡胶疲劳失效不仅影响橡胶结构件的隔振效果,而且影响整车的行驶安全性。为了确保橡胶结构件的质量及其服役期间的安全性,须掌握橡胶材料的疲劳特性。论文以填充天然橡胶结构件为研究对象,开展了橡胶疲劳寿命预测方法和加速耐久性试验方法的研究。主要研究内容如下:(1)以填充天然橡胶硫化而成的哑铃形试柱为试验对象,开展了23组不同应变比R水平下的单轴
随着耐高温、高性能聚合物材料不断被提出,应用这些材料制备柔性平板热管用于需弯折的散热场景,如折叠屏设备、可穿戴设备等,正受到广泛关注。由于聚合物本身强度较低,在封装成热管后,内外压差容易导致壳体坍塌,影响热管传热性能,因此需额外设计制造蒸汽通道结构。本文提出了一种模具分离式快速热压(Dieseparated rapid hot embossing)成形的加工方法用于制造柔性蒸汽通道结构,探究了热压
使用粘结型固体润滑涂层是减少机械系统能量损失和零部件失效的一种有效方式,其中水性聚氨酯(WPU)作为一种环保型粘结剂,具有对金属等基体良好的附着力、易改性、无污染等优点,但较差的力学性能和耐磨性能限制了纯WPU涂层在苛刻条件下的进一步应用。针对这一问题,本文采用复合填充和表面织构的改性方法改善了WPU涂层的摩擦学性能,并研究改性涂层在不同条件下的摩擦学性能和抗磨减摩机理,为拓展WPU基固体润滑涂层
随着人们环保意识的增强、能源的进一步短缺、日益严峻的环境污染,锂离子电池被广泛使用于电动汽车领域中。为研究锂离子电池使用过程中的机械响应及周围结构的约束作用对电池性能影响,本文结合数值仿真开发一个锂离子电池机械响应测试试验台及编写相应的数据预处理程序,以期为融合锂离子电池机械响应的电池管理系统开发及电池模块设计提供基础数据和理论指导。本文主要研究工作如下:(1)开发一个锂离子电池机械响应测试试验台
为解决狭小空间内部高热流密度的电子设备散热,开发高效传热散热元件和优化内部散热管理方式是目前保证电子设备稳定运行必然手段。均热板是基于气液两相传热元件,因其具有优良的导热性能和使用稳定性能,而被广泛应用在各类电子设备散热。但是由于均热板的封装成形,在内部蒸汽腔的相变过程是无法观测到的,揭示气液两相相变流动在超薄均热板内腔的对流传热过程显得极其重要。鉴于此,本文围绕超薄均热板设计制造和气液流动过程进
在唐代生产力快速发展及社会分工的细化背景下,涌现出大量的乐工歌妓,他们活跃于社会上的各个文化空间,与唐代的音乐、文化发展息息相关。乐工歌妓作为唐诗的演唱者甚至创作者,影响了对唐诗的创作及传播发展。通过探析可知,唐代乐工歌妓文化对唐诗的题材、风格的形成发展具有一定的影响,一是律诗这种体裁的诞生,二是唐代宫妓制对宫廷诗之兴盛的推动,三是中晚唐冶游狎妓之风对艳诗创作的影响。而唐代歌妓作为唐诗的演唱者、创
塑料薄膜的成型方法有很多,其中挤出吹塑成型因其设备简单、投资成本低、收效快等诸多优势,在薄膜成型生产中使用更为普遍。然而由于挤出吹塑成型中吹胀比远小于牵引比,薄膜的横向拉伸性能与撕裂性能都较低。传统吹塑模具在设计时为了保证熔体的均匀分配,往往需要设计复杂的流道结构,增加模具的体积与制造成本,此外在挤出吹塑过程中常常出现压力过大、漏料,薄膜制品厚度不均匀等一系列技术问题。这不但不利于吹塑薄膜均衡横纵