环境自适应类富勒烯基碳涂层的设计及摩擦学性能研究

现代国防、民用工业的许多领域需要环境适应性强、耐磨性好的固体润滑涂层。本项目针对传统非晶碳薄膜内应力大、韧性差和润滑性能受环境影响大等缺点，提出采用物理气相沉积和化学气相沉积相结合的方法制备在多重环境（潮湿空气和干燥真空）下应用的新型碳基润滑涂层。该方法将类富勒烯碳作为润滑涂层的支撑骨架，选择合适的硬质纳米晶颗粒（碳化物和氧化物等）和微晶润滑颗粒（氟化物和硫化物等），通过多元纳米复合技术，将这些颗粒封装在类富勒烯碳基质中，制备出具有非晶/纳米晶复合结构的环境自适应类富勒烯基碳涂层。通过本项目的研究，认识和揭示制备工艺条件、复合元素含量对涂层微观结构和力学及摩擦性能的影响，探究涂层环境自适应性的本质，建立多重环境应用的固体润滑涂层新理论，为新型碳基润滑涂层制备技术的发展和应用奠定基础。

详细考察了含氢类金刚石薄膜在干燥氮气和干燥真空下的摩擦行为，摩擦界面处薄膜表面、摩擦对偶和环境气氛之间发生的摩擦化学反应。基于此提出了表面氢诱导氢键模型来解释含氢类金刚石薄膜的摩擦学行为。研究了载荷和表面摩擦化学对超润滑类富勒烯氢化非晶碳（FL–C:H）薄膜摩擦学行为的影响。利用Hertz弹性接触理论计算了薄膜摩擦过程中实际接触面积的变化。摩擦接触面积和载荷的比值随着载荷的增大而减少，这是FL–C:H薄膜摩擦因数降低的一个主要原因。此外，摩擦界面处低剪切力氢化碳转移膜的形成是FL–C:H薄膜具有低摩擦的另一个主要原因。采用脉冲等离子体增强化学气相沉积系统沉积了含氮类金刚石碳薄膜。利用XPS和FTIR分析了薄膜的化学键状态，在UMT摩擦磨损试验机上考察了薄膜的摩擦学性能，利用扫描电子显微镜分析了摩擦对偶球表面的转移膜形貌。结果表明：随着薄膜中氮含量的增加，薄膜中的sp2碳含量增加，硬度有所降低，薄膜的平均摩擦系数先减小后增加。采用直流-脉冲等离子体化学气相沉积技术制备了氢化非晶碳薄膜。考察了沉积气压对a-C:H薄膜微观结构和薄膜硬度的影响。通过Raman光谱，XPS和FTIR分析可知，在较低气压下制备的薄膜具有较高的sp3碳含量，呈现典型的类金刚石结构。而在较高气压下，薄膜具有类富勒烯纳米结构。在20 Pa下所制备的类富勒烯纳米结构碳薄膜具有较高的Raman光谱 ID/IG和较低的XPS碳结合能。采用磁控溅射的方法在不同的基底偏压下制备了非晶碳薄膜，当基底偏压从-50 V增加到-150 V时，薄膜中的sp2杂化态碳的含量增加，sp2团簇的数量增多且尺寸变大，表面粗糙度也相应变大；当基底偏压从-150 V升高至-250 V时，由于其成膜粒子的能量升高，粒子对薄膜表面的刻蚀作用增强，从而降低了表面粗糙度，使其变得更为光滑致密，同时，使薄膜中的sp2杂化态碳能发生向sp3杂化态的转变，薄膜的sp2杂化态碳含量有所降低。基本完成项目的研究内容，发表学术论文6篇，其中SCI论文4篇，EI论文1篇。