纳米复合DLC薄膜的压摆摩擦-热行为及机理研究

Nanocomposite diamond-like carbon (DLC) film presents promising application potential as self-lubricating materials on the driving and controling parts of high-tech instruments where spherically oscillating motion is mainly employed, due to the their superior mechanical and tribological performance. However, up to now, few studies were carried out on the friction behavior and lubrication mechanism of superlubricious DLC films under spherically oscillating friction conditions. In view of this, this project will prepare DLC films with lubricious performance on spherical surfaces under optimized plasma parameters by a hybrid plasma deposition technique, and then investigate the effects of tribological parameters, contact surface properties and environmental temperature on the frictional and thermal behaviors of DLC materials, and then reveal the influencing mechanism of friction heat on the structural transformation and tribochemical reactions on the friction surfaces. After that, a lubricating and failure model in spherically oscillating friction circumstances will be put forward based on the analysis of interactions between interface molecules.This work would not only further clarify the lubricious mechanism of DLC films and contribute to the theoretical study of tribology, but also provide theoretical instruction and technical support for the development and design of novel high-quality self-lubricating materials used in spherically oscillating friction conditions.

纳米复合类金刚石碳（DLC）膜具有优异的力学和摩擦学性能，在用作高端装备传动、操纵等关键部位(以压摆运动为主)的自润滑材料方面显示了较大的应用潜力，但目前对其在压摆条件下的摩擦学行为和机理研究还比较匮乏。鉴于此，本项目拟利用等离子体复合沉积技术，通过优化等离子体特性参数，在球面结构上沉积纳米复合DLC薄膜材料，并系统考察压摆参数、接触表面特性及环境温度对DLC材料摩擦-热行为的影响，揭示压摆条件下摩擦热对接触面结构转化及摩擦化学反应的影响机制，并从摩擦接触面分子结构及其相互作用的本质出发，建立压摆条件下的润滑及损伤失效模型。通过该项目的研究，不仅能够进一步阐明DLC薄膜材料的润滑机理，丰富摩擦学基础理论，还有望为新型高性能压摆自润滑材料的开发设计提供理论指导和技术支持。

针对关节轴承自润滑衬垫材料材料制备了四种自润滑薄膜材料，采用自行研制的高频压摆摩擦磨损试验机对材料进行摩擦学性能评估，分析复合材料的摩擦磨损特性，对其失效机制进行了详细研究。根据摩擦热对材料摩擦磨损性能的重要影响，研究了不同试验条件下材料的摩擦热特性，分析了不同温度下材料表现出的摩擦学性能，为材料的实际应用及针对不同工况的选材提供试验及理论依据。比较重要研究结果如下：.1. 通过优化沉积参数,在最佳参数下制备了纯DLC、H-DLC、Cr-DLC、WC-DLC四种薄膜材料。通过对比发现，H-DLC薄膜具有最优的减摩抗磨效果。.2. 材料在高载荷高频率条件下的磨损主要受摆动频率的影响，而频率对材料磨损量的影响主要通过摩擦温度起作用，摩擦温度对编织材料的摩擦磨损性具有决定性影响。通过磨损数值仿真模型，研究了不同载荷、频率条件下编织复合材料接触压力、磨损深度随时间的变化，以及材料摩擦面不同接触区域的磨损状态。.3. 摩擦温度并不随载荷增大而一直增高，其中在载荷15MPa~20MPa之间有降低趋势。综合考虑不同工况条件下摩擦温度的变化，结合不同摩擦温度、载荷条件下产生的磨屑分析了材料的磨损特征，从微观上解释了摩擦温度作用于材料的摩擦磨损机理。为编织复合材料的实际应用及评估分析提供依据，为该材料的评估和选择提供参考依据。.4. 通过对复合材料在不同环境温度下的摩擦磨损性能研究得出为保证关节轴承良好的润滑性、耐磨性及使用寿命的最佳适用摩擦温度，该摩擦温度值可作为对该摩擦副的动态监测指标的参考值。通过试验研究了编织材料导热性能参数。.5. 建立了自润滑衬垫材料摩擦热模型，通过微观传热模型分析了材料摩擦生热过程中热量的传递以及摩擦表面温度的分布规律。由于摩擦副应力应变导致摩擦面最高温度区域并不是在接触面中心位置，而是在摆动摩擦方向的两端位置，因此两端位置最易磨损失效。同时证明了纤维编织复合材料最终的磨损形式以热疲劳损伤条件下的局部磨穿为主。.