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题名:
类金刚石碳薄膜多气氛摩擦学行为及摩擦机理研究
作者: 师晶1,2
导师: 张俊彦
专业分类: 材料学
关键词: 类金刚石薄膜 ; 类富勒烯 ; 摩擦磨损机理 ; 分子吸附 ; 密度泛函 ; Diamond-like carbon film ; Fullerene-like structure ; Tribological mechanisms ; Molecule adsorption ; Density functional theory calculation
摘要:

    不同组分、结构的类金刚石(diamond-likecarbon,简称DLC)薄膜在不同摩擦环境中的摩擦系数呈跨数量级差异。影响DLC薄膜摩擦行为的因素主要包括两个方面:薄膜本征性能(元素、结构)和外界环境(气氛)。本文考察了氢元素、类富勒烯结构和多种气氛环境对DLC薄膜摩擦行为的影响,探讨了无/含氢DLC薄膜在高真空、惰性气氛、活性气氛中的摩擦机理,取得以下主要研究结果:

    (1)采用高频脉冲等离子体增强化学气相沉积,通过调节沉积参数,对含氢DLC薄膜微结构进行有效调控。结果表明,当沉积偏压逐渐增大时(-800~-1050 V),薄膜微观结构发生“非晶-类富勒烯-非晶”的演变。

    (2)基于负偏压对薄膜结构的影响,在含氢DLC薄膜中主动设计类富勒烯(FL)微结构,获得了在高真空具有长磨损寿命(1.8×105次循环)的类富勒烯碳氢(FL-C:H)薄膜。通过考察薄膜稳态摩擦过程中的界面结构,建立了FL-C:H薄膜界面石墨化相变与磨损寿命之间的联系。与非晶碳氢薄膜相比,FL结构在剪切应力下破裂,为纳米石墨晶提供成核中心,形成纳米石墨晶/非晶结构摩擦膜。

    (3)考察了无/含氢DLC薄膜在不同相对湿度下的摩擦行为,探讨了吸附水分子对无/含氢DLC摩擦行为的影响机制。低湿度(<<50%)下,摩擦系数的主导因素为固-固接触,无氢DLC需克服较大的界面结合能(-103.37 kJ/mol~-320 kJ/mol),摩擦系数较高(0.19);含氢DLC对应较小的界面结合能(-3.04 kJ/mol~-6.32 kJ/mol),摩擦系数较低(0.06)。高湿度(相对湿度>>50%)下,无/含氢DLC表面所吸附水分子之间的氢键是影响摩擦系数的主导因素,无/含薄膜需克服的界面结合能均为约-47.31 kJ/mol,两者摩擦系数十分接近(~0.15)。

    (4)研究了不同气氛下吸附分子对含氢DLC薄膜摩擦行为的影响规律。当分子吸附在摩擦界面形成较低的界面结合能时,摩擦系数较低;相反,则摩擦系数较高。通过含氢DLC薄膜自配副在干燥氮气下的超滑结果(摩擦系数0.009)进行了实验验证。

授予地点: 北京
答辩日期: 2017-11-16
授予单位: 中国科学院大学
学位: 工学博士
所属部门: 先进润滑与防护材料研究发展中心
所属课题: 纳米润滑研究组
研究方向: 薄膜材料
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.licp.ac.cn/handle/362003/22848
Appears in Collections:先进润滑与防护材料研究发展中心_学位论文

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201777师晶.pdf(6792KB)学位论文--暂不开放 联系获取全文

作者单位: 1.中国科学院兰州化学物理研究所
2.中国科学院大学

Recommended Citation:
师晶. 类金刚石碳薄膜多气氛摩擦学行为及摩擦机理研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2017-11-16.
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