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极限环境下CNx薄膜超低摩擦界面孤岛状转移膜的准原位测试研究
结题报告
批准号:
51405308
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
25.0 万元
负责人:
汪朋飞
依托单位:
学科分类:
E0505.机械摩擦学与表面技术
结题年份:
2017
批准年份:
2014
项目状态:
已结题
项目参与者:
范雪、张琪、陈小文、童小健、王马林
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中文摘要
氮气环境中水氧含量对于CNx薄膜超低摩擦界面转移膜的形成具有决定性作用。为了澄清转移膜在CNx薄膜超低摩擦行为中的作用机理,本课题针对极限水氧含量(ppm级别)氮气下超低摩擦界面孤岛状转移膜的形成机制、演化规律和人为调控等三项内容开展研究。利用极限环境-球盘摩擦-拉曼光谱-原子力扫描测试系统进行CNx薄膜的超低摩擦实验,对孤岛状转移膜的成分、结构、分布形态和力学特性分别进行拉曼光谱和原子力扫描准原位测试,在此基础上对孤岛状转移膜几何形状和局部结构的演变进行纳米接触力学解析。通过稳态摩擦下转移膜的表征,揭示界面剪切诱导下孤岛状转移膜局部结构相变机理。通过磨合过程中转移膜的解析,阐明临界摩擦距离随孤岛状转移膜表面最大接触应力的变化规律。通过初始磨合的控制,实现ppm到百分比级别水氧含量氮气环境中CNx薄膜的稳定超低摩擦。研究结果将为碳基薄膜界面转移膜减摩理论和节能摩擦学系统设计提供基础支持。
英文摘要
Water and oxygen content in nitrogen gas environment is a key point for the formation of tribo-film at the contact interface in the super-low friction of CNx coatings. To clarify the role of tribo-film in the super-low frictional behavior of CNx coatings, this application tends to carry out studies in three aspects: formation mechanism, evolution, and artificial control of isolated tribo-film islands at the contact interface in the super-low friction of CNx coatings under nitrogen gas environment with extreme water and oxygen content (ppm level). Super-low friction tests of CNx coatings are conducted by using an Extreme environment-Ball-on-disk tribometer-Raman-AFM system. The composition, the structure, the topography, and the mechanical behavior of isolated tribo-film islands are semi in-situ analyzed by Raman spectroscopy and atomic force microscopy (AFM), respectively, and then the evolution of geometric shape and local structure of isolated tribo-film islands is analyzed by using nano-scale contact mechanical method. By characterizing the tribo-film under the steady state, the local structural phase transition mechanism of isolated tribo-film islands induced by shearing force at the contact interface is revealed. By analyzing the tribo-film during the running-in process, the variation of critical rubbing distance with the maximum contact stresses on the surface of isolated tribo-film islands is elucidated. By controlling the initial running-in process, stable super-low friction of CNx coatings under nitrogen gas environment with water and oxygen content in the levels from ppm to percentage is obtained. The achievement of this project will provide research basis for friction reduction theory of tribo-film at the contact interface in the carbon-based coatings and design of energy-saving tribo-systems.
氮化碳(CNx)薄膜,由于其具有的优异机械和摩擦学性能,特别是氮气环境下的超低摩擦行为,近年来一直得到学术界和工业界的广泛关注。然而,氮化碳薄膜的低摩擦机理目前尚不明确,而且超低摩擦行为的不稳定性也困扰了其在工业上的大规模应用。本研究从以下三方面开展了氮化碳薄膜超低摩擦行为和机理的系统研究工作。首先,我们设计组装了基于悬臂梁结构的球盘型摩擦磨损测试装置,在此基础之上搭建了基于手套箱的极限水氧含量惰性气体环境摩擦磨损测试系统并完善了整个测量规程,通过该测试装置可以获得低于0.1 ppm水氧含量的惰性气体环境,并可进行磨损表面准原位拉曼光谱分析。第二,采用封闭式电子回旋共振等离子体溅射沉积装置在低能电子照射下进行了碳膜和氮化碳薄膜的制备,结果表明层状堆叠的石墨烯纳晶弥散分布在非晶碳结构中,且氮化碳薄膜相比碳膜具备更低的表面粗糙度和更高的纳米硬度。重点探索了不同气体流量比、微波功率和基片偏压等参数下制备的石墨烯纳晶嵌入式氮化碳薄膜成分和结构的演化机制,澄清了不同石墨烯纳晶嵌入式氮化碳薄膜在氮气环境下摩擦行为的变化规律,确定了具备优异机械性能和低摩擦行为的氮化碳薄膜制备参数,阐明了接触界面转移膜成分和结构在石墨烯纳晶嵌入式氮化碳薄膜低摩擦行为中的作用机制。第三,基于ppm级别水氧含量惰性气体环境摩擦磨损测试系统对石墨烯纳晶嵌入式氮化碳薄膜的摩擦行为进行研究,观察到低于0.1 ppm水氧含量氮气环境下石墨烯纳晶嵌入式氮化碳薄膜的低摩擦行为,通过氮化硅球磨损表面转移膜的光学显微镜和拉曼光谱仪测试,初步揭示了极限水氧含量氮气环境下的低摩擦机理,发现类石墨结构转移膜的形成对于实现石墨烯纳晶嵌入式氮化碳薄膜的长寿命稳态低摩擦具有重要意义。上述研究结果将为纳晶嵌入式碳基薄膜界面转移膜减摩理论和新兴节能摩擦学系统设计提供基础支持。
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Low friction of graphene nanocrystallite embedded carbon nitride coatings prepared with MCECR plasma sputtering
MCECR等离子体溅射制备石墨烯纳米晶嵌入氮化碳涂层的低摩擦
DOI:10.1016/j.surfcoat.2017.06.084
发表时间:2017-12-15
期刊:SURFACE & COATINGS TECHNOLOGY
影响因子:5.4
作者:Wang, Pengfei;Zhang, Weiqiang;Diao, Dongfeng
通讯作者:Diao, Dongfeng
石墨烯掺杂聚合物薄膜的低摩擦高发电机理及其应用研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    10.0万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    汪朋飞
  • 依托单位:
国内基金
海外基金