含贵金属氮化物基多层膜结构设计及摩擦磨损机理研究

The adaptive nitride-based hard film containing noble metal is a research hotspot in the field of solid lubrication, and a key factor of extending the service life of this kind of films is to control the diffusion of noble metal. This study intends to control the diffusion of noble metal through the adaptive nitride-based layer containing noble metal and nitride-based barrier layer alternate growing, to synthesize the long life adaptive nitride-based nanostructured multilayer films. The key research is the following: (1) to study the influence of the barrier material and its microstructure on the noble metal diffusion, and to explore the relationship between the interfacial characteristics of the multilayer film and the friction and wear properties, and then to establish the principle of diffusion barrier selection. (2) to study the friction and wear properties of the multilayer film with various modulation period or modulation ratio, to explore the coordination effects between the nitride layer containing noble metal and barrier layer, to reveal the influence of the modulation layer thickness on the noble metal diffusion and to determine the optimum range of the modulation layer thickness. The study is aimed at making barrier layer that not only to maintain the overall lubricating property of the multilayer film, but to control the diffusion of noble metal efficiently, extending the service life of the film, obtaining the model of long life adaptive nitride-based nanostructured multilayer films containing noble metal, and providing the theoretical and experimental basis for the synthesis of long life adaptive nitride-based film.

自适应含贵金属氮化物基硬质薄膜是固体润滑领域的研究热点，而控制贵金属迁移是延长该类薄膜服役寿命的关键因素。本项目拟通过含贵金属氮化物自适应层与氮化物阻挡层交替生长的方式调控贵金属迁移，以期制备具有高寿命的自适应氮化物基纳米结构多层膜。重点开展如下研究：(1)研究阻挡层成分及微观结构对贵金属迁移的影响，揭示含贵金属氮化物层与阻挡层之间的界面特性变化与摩擦磨损性能的关系，构建阻挡层材料选取准则；(2)研究具有不同调制周期或调制比的多层膜的摩擦磨损性能，探索服役过程中含贵金属氮化物层与阻挡层之间的协同作用，揭示调制层厚度对贵金属迁移的影响，确定调制层最佳厚度范围。通过上述研究，旨在使阻挡层在不影响材料整体润滑性能的前提下，有效控制贵金属的迁移，从而达到延长寿命的目的。建立具有高寿命的含贵金属氮化物基纳米结构多层膜结构设计模型，为制备高寿命自适应薄膜奠定理论和实验基础。

如何实现润滑组元消耗与保护的平衡是自润滑薄膜具备持续润滑能力的关键，业已成为固体润滑领域的研究热点，而厘清各润滑组元润滑行为规律是现实持续润滑能力的前提。项目基于综合自适应思想，通过在硬质陶瓷中添加室/中/高温润滑组元，设计并成功制备出了一些列的宽温域自润滑纳米结构硬质薄膜材料，以解决目前单一润滑组元服役温域窄的问题。并通过系统研究各温域润滑组元在宽温域内的摩擦化学变化，及其与硬质陶瓷相间的复杂作用，揭示了在宽温域内，因各润滑相间以及润滑相与硬质陶瓷相间复杂交互作用而产生的摩擦学行为规律。基于以上，根据室/中/高温润滑组元服役特性：室温润滑组元易在中高温条件下烧损失效，中温润滑组元易在高温下过度迁移释放，高温润滑组元在高温条件下大规模氧化失效。通过添加SiNx、AlN等具有优异热稳定性的保护相提升润滑薄膜持续润滑性能，并系统研究了保护相与润滑相、保护相与硬质陶瓷相宽温域摩擦学行为特性，揭示了保护相的缓释保护行为规律。设计并制备出了具有持续润滑能力的宽温域自润滑硬质薄膜材料。.基于以上研究，发表SCI论文16篇，中文专著2部，授权发明专利4件。荣获江苏省“青蓝工程”骨干教师、江苏省科技副总。研究成果顺利应用在干式切削难加工金属的高性能刀具涂层领域，并荣获首届全国博士后创新创业大赛优胜奖。在此研究基础上，为进一步提升宽温域自润滑薄膜持续润滑能力，提出了基于纳米胶囊和纳米镶嵌结构的多层膜设计及研究思路，获批国家自然基金面上项目1项。