第十三届全国青年表面工程学术会议

185 / 2021-04-05 19:45:32

宽温域润滑类金刚石薄膜的设计、制备及摩擦学性能

类金刚石涂层,摩擦

近年来，利用各种物理气相沉积和化学气相沉积技术制备的非晶碳基薄膜，又称类金刚石薄膜，引起了摩擦学研究者的极大兴趣，它是一类主要由sp²和sp³杂化碳原子共同组成的非晶结构薄膜，具有高硬度、耐腐蚀、低摩擦系数、长磨损寿命以及高化学稳定性等优异的性能，在众多领域显示出巨大的应用前景。然而，随着机械装备朝着高温、高速和高精度方向发展，其运行条件日益苛刻，非晶碳基薄膜在高温下（大于200℃）的润滑失效已成为限制其广泛应用的瓶颈。因此，改善非晶碳基薄膜200-600℃的摩擦学特性，提升其宽温域润滑性能，是目前非晶碳基薄膜广泛应用亟待解决的关键问题。本文利用磁控溅射技术在H13钢表面制备了具有Cr过渡层的梯度Si掺掺杂非晶碳基薄膜，对比研究了其与高Si掺杂及低Si掺杂非晶碳基薄膜室温至500℃范围内的摩擦学行为。研究表明：高Si掺杂非晶碳基薄膜在具有较好的热稳定性，500℃原位高温摩擦实验结果表明由于表面的SiO₂层薄膜的摩擦系数出现较大的波动。梯度掺Si非晶碳基薄膜中Si的分布从基体至表面逐渐减小，靠近基体富Si的结构与过渡层间的物理特性差异较小，同时硬度较高为整体薄膜提供了高的承载能力。表面贫Si结构的非晶碳基薄膜在500℃的原位高温摩擦实验中，摩擦系数低至0.05，磨痕表面表面的第三体主要由较薄膜更无序化的石墨化转移层及C-O-Si键颗粒组成。C-O-Si结构对低摩擦起到重要作用，但形成稳定的C-O-Si键要求非晶碳基薄膜中Si的掺杂不易过高，高Si掺杂薄膜表面将生成不利于摩擦系数减小的SiO₂氧化层，非晶碳基薄膜碳基网状结构也将被严重破坏。