第十四届全国表面工程大会

87 / 2022-09-14 11:27:57

硅元素引入对WC 掺杂非晶碳薄膜宽温域摩擦学行为以及润滑机制的影响

Si/WC/a-C薄膜,宽温域摩擦学行为,润滑机制,热稳定性

为了拓展非晶碳基薄膜在大气环境中的润滑温域，本文提出了一种新型宽温域润滑Si、WC共掺非晶碳薄膜，记为Si/WC/a-C。采用非平衡磁控溅射系统制备了一系列不同Si含量的Si/WC/a-C薄膜，探索了Si对WC/a-C薄膜微观组织结构、热稳定性和力学性能的影响，并系统研究了其在空气25 ~ 500 ℃环境中与M50钢对磨的宽温域摩擦行为。结果表明，Si元素的引入抑制了薄膜中WC相的结晶性，引起WC/a-C薄膜由纳米晶-非晶向非晶态的转变。Si元素的加入显著提升了WC/a-C薄膜的纳米硬度、热稳定性和宽温连续润滑性能。其中，Si含量约为18.85 at.%的Si/WC/a-C薄膜表现出最优的宽温摩擦学性能，其在25~500 ℃温域的平均摩擦系数小于0.25。采用XPS、HRTEM和Raman等方法对不同温度的磨痕表面进行分析，发现Si/WC/a-C薄膜优异的宽温润滑性能主要归因于富sp²碳、Si-O-C和WO³自润滑相在不同温度范围内的连续形成以及其协同润滑作用，并进一步揭示了适量Si元素掺杂能有效抑制摩擦层中sp²-C的氧化，促使sp²-C在25 ~ 500 ℃温域内均为主要润滑相。