碳基薄膜结构调控与PAO油复合润滑研究

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类金刚石碳薄膜(DLC)由于其优异的物理、化学、力学、低成本、低摩擦等优异的特性,在摩擦学领域具有极大的应用前景。因此,本文采用磁控溅射技术和等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术制备了不含氢碳(a-C)薄膜、含氢碳(a-C:H)薄膜和含氟碳(a-C:H:F)薄膜,同时利用磁控溅射技术在钢球表面沉积了a-C:H@MS薄膜作为摩擦对偶球。采用往复模式摩擦磨损试验机分别研究了上述三种薄膜在不同载荷下的干摩擦行为,进一步利用旋转模式摩擦磨损试验机研究了三种薄膜与PAO6润滑油复合润滑时的摩擦学行为。主要研究结论如下:(1)在干摩擦情况下,a-C薄膜的摩擦系数随着载荷的增加不断降低,a-C薄膜在10 N载荷下具有最低摩擦系数,约为0.1615;在8 N时表现出最小的磨损率,约为0.539×10-8 mm~3/N·m。磨屑Raman分析表明磨屑处ID/IG的变化趋势与摩擦系数变化规律相吻合,说明在摩擦过程中,随着载荷的逐渐增大,压力和摩擦剪切力诱导了sp~3向sp~2结构的转化,同时促进了sp~2-C团簇的增加。添加PAO6润滑油的摩擦学测试表明固-液复合润滑下,极大的降低了a-C薄膜的摩擦系数。(2)在干摩擦情况下,a-C:H薄膜的摩擦系数变化与a-C薄膜变化趋势一致,都随着载荷的增加不断降低,在10 N载荷下具有最低摩擦系数,约为0.02,且磨损率的变化也同样符合该规律,在载荷10 N时表现出最小的磨损率,约为0.928×10-8 mm~3/N·m。磨痕的Raman表征显示磨痕处ID/IG值变化规律同摩擦系数、磨损率变化一致。添加PAO6润滑油后,a-C:H薄膜的摩擦系数与载荷之间并不具有完全一致的变化规律,但是在润滑油存在条件下,极大的降低了a-C:H薄膜的磨损率。(3)在干摩擦情况下,a-C:H:F薄膜的摩擦系数随着载荷的增大而逐渐降低,且磨损率的变化也同样符合其规律。在10 N载荷下表现出最小的摩擦系数及最小的磨损率分别为0.018和0.557×10-8 mm~3/N·m。与a-C薄膜及a-C:H薄膜相比,a-C:H:F薄膜具有更低的摩擦系数与磨损率。说明F元素的掺杂极大的降低了界面的摩擦阻力。a-C:H:F薄膜在PAO6润滑油介质中摩擦系数变高,但是却表现出比干摩擦情况下更低的磨损率,说明固-液复合润滑具有优异的减磨降损能力。
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