【摘 要】
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甲醇燃料因符合节能减排的发展要求而受到大力推广,但甲醇燃烧后产生甲酸、甲醛等物质,对金属零部件造成腐蚀磨损,成为制约甲醇燃料发展的关键性问题。在金属零部件表面制备兼具防腐和耐磨性能的薄膜或涂层是可行方法之一。类金刚石(Diamond-like carbon,DLC)碳基薄膜的高硬度、低摩擦、优异耐磨性能和良好耐腐蚀性等特性使其在甲醇环境中的应用具有可行性,然而目前与此相关的研究工作较少。因此,本文
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甲醇燃料因符合节能减排的发展要求而受到大力推广,但甲醇燃烧后产生甲酸、甲醛等物质,对金属零部件造成腐蚀磨损,成为制约甲醇燃料发展的关键性问题。在金属零部件表面制备兼具防腐和耐磨性能的薄膜或涂层是可行方法之一。类金刚石(Diamond-like carbon,DLC)碳基薄膜的高硬度、低摩擦、优异耐磨性能和良好耐腐蚀性等特性使其在甲醇环境中的应用具有可行性,然而目前与此相关的研究工作较少。因此,本文选用45#钢为基体材料,采用非平衡磁控溅射方法在其表面制备了非氢DLC薄膜和含氢DLC薄膜(H-DLC),分别对两种DLC薄膜的表面形貌、机械性能和腐蚀磨损性能等进行分析,探究了45#钢和两种不同DLC涂层在甲醇溶液中的腐蚀磨损性能和机理。本文的主要工作及结论如下:(1)结合摩擦磨损测试、电化学测试以及形貌表征等方法,分析了外加载荷、摩擦频率、甲酸含量对45#钢在甲醇环境中的腐蚀磨损性能的影响。结果表明:45#钢摩擦磨损的磨损率随着载荷、摩擦频率的增大而增加,磨损机制以磨粒磨损为主。另外,由于溶液的冷却和润滑作用,45#钢在腐蚀介质中腐蚀磨损磨损率也有所降低。电化学测试结果证明了机械磨损令45#钢的耐腐蚀性能下降。另外,甲酸的存在使45#钢发生严重酸腐蚀,表面出现大量的腐蚀坑,使材料更易因机械磨损脱落,加剧了45#钢的腐蚀磨损。(2)研究了载荷、摩擦频率和甲酸含量对非氢DLC薄膜摩擦磨损性能以及腐蚀磨损性能的影响。结果表明:DLC薄膜摩擦磨损的平均摩擦系数在0.05到0.1之间,仅为相同条件下45#钢基体的1/10左右,体积磨损率也减小了一个数量级。与摩擦磨损实验相比,由于甲醇溶液的存在,不同载荷、摩擦频率和甲酸含量下的DLC薄膜的平均摩擦系数进一步降低。DLC薄膜的体积磨损率也进一步减小到约为摩擦磨损条件下的1/2左右。电化学结果表明,DLC薄膜在含甲酸的甲醇溶液中有良好的耐蚀性能,有效阻隔了腐蚀介质接触基体而发生的酸腐蚀。由于较高的化学惰性,DLC薄膜在甲醇溶液中的磨损主要由普通机械磨损造成。(3)研究了载荷、摩擦频率和甲酸含量对H-DLC薄膜摩擦磨损以及腐蚀磨损性能的影响。结果表明:不同载荷、摩擦频率下的H-DLC薄膜平均摩擦系数在0.15到0.25之间,高于非氢DLC薄膜,但其体积磨损率为非氢DLC薄膜的1/2,具有更优异的耐摩擦磨损性能。H-DLC薄膜在甲醇溶液中表现出良好的耐腐蚀磨损性能,主要表现为较低的摩擦系数(0.02-0.08)和磨损率(10-7mm~3·N-1·m-1数量级)。电化学测试结果表明,与非氢DLC薄膜相比,H-DLC薄膜因其良好的致密性和钝化效应(高sp~3C含量)而在腐蚀介质中呈现出更好的耐腐蚀性。
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