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碳基纳米复合涂层力学与摩擦学性能研究

类金刚石碳膜,摩擦,超滑,强结合,HiPIMS

随着航空航天事业的不断发展，越来越多的高端装备运行在高真空、超低温、重载等极端环境中，具有低蒸气压且温度敏感性高的油、脂等润滑剂不再适用于关键摩擦副的润滑。类金刚石碳膜（DLC，Diamond Like Carbon）作为固体润滑剂的一种，具有较高的机械性能、化学稳定性和摩擦性能等优点。然而类金刚石碳膜存在内应力大、膜基结合力差、气氛环境敏感性大等问题，尤其是高结合与低摩擦存在的矛盾严重限制了其工程应用推广。



本研究通过合理设计过渡层并调控元素掺杂的方式，利用高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS, High Power Impulse Magnetron Sputtering）在9Cr18不锈钢表面制备了碳基纳米复合AlCrSi-DLC涂层。如图1a所示，该涂层自基底至顶层分为AlCrSi-Ⅰ（高能量沉积）、AlCrSi-Ⅱ（低能量沉积）、AlCrSiN层、AlCrSiCN层和AlCrSi-DLC润滑层。



通过纳米压痕及划痕法对涂层的力学性能进行了测试，结果表明，该新型DLC涂层具有较高的纳米硬度（10.8 GPa），当划痕压头加载力达到63 N之前涂层均未被划破，且涂层没有出现明显裂纹和剥落，表明其具有较高的膜基结合强度。利用球盘摩擦试验机对AlCrSi-DLC的摩擦学性能进行测试，如图1b所示，当用无掺杂DLC（ND-DLC）小球与AlCrSi-DLC盘进行对磨时，在氮气及潮湿大气中均可以实现超滑（最低0.0014），磨损率均在10^-8 mm³/N·m量级。该工作制备的超滑强结合AlCrSi-DLC涂层为其面向工程应用，改善极端环境中摩擦副的润滑条件提供了新的解决方案。





图1 碳基纳米复合AlCrSi-DLC涂层（a）横截面TEM形貌图（b）球盘摩擦测试结果