关键词：机械设备;;表面改性;;摩擦学性能;;寿命;;力学性能
摘 要：工业生产离不开机械设备,在提高产品的质量、产量以及提升制造的效率、安全性等方面,机械设备起到关键性作用。然而,机械设备运动部件的摩擦磨损问题也一直是缩短设备寿命和降低机械可靠性的难题之一。本研究针对机械设备等运动系统对高性能润滑材料技术的需求,通过对有机脂类润滑油和碳基薄膜等润滑材料的深入研究,掌握高性能合成润滑材料特点,将合成润滑材料应用于机械设备运动部件表面,研究机械系统减摩抗磨、节能降耗、运行寿命和可靠性等关键技术指标的影响规律。采用等离子体增强化学气相沉积方法在硅基底、钢球和Si_3N_4球表面制备含氢类富勒烯碳(FL-C:H)薄膜,利用透射电子显微镜、X射线光电子能谱仪、拉曼光谱和傅立叶变换红外光谱获得薄膜的微观结构,使用原位纳米力学测试系统和UMT-3摩擦磨损试验机测试FL-C:H薄膜的力学性能和摩擦学性能,最后利用扫描电子显微镜和三维表面轮廓仪分析摩擦后产生的磨斑和磨痕。其结果如下:(1)在潮湿环境中镀类富勒烯碳薄膜钢球和镀类富勒烯碳薄膜Si_3N_4球分别与FL-C:H薄膜对摩,可以实现较低的摩擦系数和磨损率。(2)钢球和Si_3N_4球上FL-C:H薄膜摩擦学行为的差异性是由薄膜的微观结构和力学性能的变化所引起的。(3)掺杂N的FL-C:H薄膜具有更加优异的性能(如高硬度、良好的弹性回复率、非常光滑的表面形貌、低摩擦系数和低磨损率),氮原子能够促进形成更多交联的类富勒烯结构,而氟原子终止弯曲石墨中sp~2杂化碳的连接状态从而破坏类富勒烯连续的网格结构。(4)在PAO6和发动机油分别作为润滑介质条件下,FL-C:H薄膜与FL-C:H薄膜对摩的摩擦系数相比于钢球与FL-C:H薄膜直接接触的摩擦系数分别降低了48%和41%,磨损率分别降低了82%和76%。(5)在PAO6和发动机油作为润滑介质条件下,FL-C:H薄膜与FL-C:H薄膜对摩磨损率有所减小,但摩擦系数反而升高。相比于无润滑介质条件下FL-C:H薄膜与FL-C:H薄膜对摩,耐磨损寿命明显提升。(6)硅基底上沉积3 h的薄膜与钢球表面沉积2 h/3 h的薄膜在对摩的情况下展示出超低的摩擦系数和超长的耐磨损寿命。其优异的摩擦学性能和超长的耐耐磨损寿命与碳薄膜的类富勒烯结构以及摩擦滑动界面密切相关。
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