水润滑部件表面碳基纳米复合薄膜的韧化及其摩擦学特性研究

针对水润滑部件表面无氢碳基薄膜存在内应力大、韧性差等问题，本项目从材料增韧的原理出发，提出在水润滑不锈钢部件表面沉积掺杂韧性贵金属和碳（氮）化物形成金属的无氢碳基纳米复合薄膜，研究纳米颗粒对碳基纳米复合薄膜结构和力学性能的影响,揭示薄膜结构与其力学性能的相互关系，阐明碳基纳米复合薄膜的韧化机理。利用水润滑摩擦试验机/电化学工作站组合设备研究韧性硬质碳基纳米复合薄膜的水润滑摩擦学特性，揭示薄膜内纳米颗粒对碳基纳米复合薄膜在水中的摩擦/磨损/润滑耦合机制的影响，构建韧性硬质碳基纳米复合薄膜在水中的机械磨损/摩擦化学磨损机理转化图，阐明韧性硬质碳基纳米复合薄膜水润滑摩擦时的失稳机理。

本项目从材料增韧的原理出发，提出在水润滑不锈钢部件表面沉积韧性金属掺杂（Ti、Cr、Ta、Ag）和金属碳（氮）化物（Ti、Cr）的无氢碳基纳米复合薄膜，研究纳米颗粒对碳基纳米复合薄膜结构和力学性能的影响，从而揭示薄膜结构与其水润滑摩擦性能的相互关系。研究发现无氢碳基纳米复合薄膜与硅基陶瓷球（SiC）配对在弱极性的润滑液（去离子水，海水）中具有更好的摩擦特性；通过韧性金属（Ti、Cr、Ta、Ag）的掺杂发现，虽然低含量的掺杂基本没有改变无氢碳基纳米复合薄膜的微观结构，但是提高了无氢碳基纳米复合薄膜韧性，从而提高其水润滑摩擦学特性；而高含量的韧性金属掺杂降低了无氢碳基纳米复合薄膜的韧性，也削弱了其水润滑摩擦学特性；此外，金属Cr掺杂提高了无氢碳基纳米复合薄膜在人体模拟体液中的抗腐蚀性，而金属Ti掺杂降低了无氢碳基纳米复合薄膜的抗腐蚀性。通过金属碳（氮）化物（Ti、Cr）的无氢碳基纳米复合薄膜研究发现，低含量的碳掺杂可以起到自润滑的作用，降低摩擦副之间的摩擦系数和摩擦副材料的磨损率，然而当碳含量掺杂量过高，导致薄膜的硬度下降，反而削弱了薄膜的水润滑摩擦学特性；对于金属碳（氮）化物（Ti、Cr）的无氢碳基纳米复合薄膜在人体模拟体液中的抗腐蚀性都随着碳元素的掺杂得到了提高。