【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及調(diào)控碳基薄膜摩擦系數(shù)，尤其涉及一種通過(guò)摩擦誘導(dǎo)滑動(dòng)界面重構(gòu)調(diào)控碳基薄膜摩擦系數(shù)的方法。
技術(shù)介紹
1、隨著工業(yè)裝備的迅猛發(fā)展，機(jī)械零部件在極端工況下實(shí)現(xiàn)高效、長(zhǎng)壽命運(yùn)行的需求日益增長(zhǎng)。在這一背景下，具有卓越摩擦學(xué)性能的材料成為先進(jìn)材料科學(xué)的前沿研究重點(diǎn)。摩擦學(xué)性能不僅直接關(guān)系到機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行效率和能量消耗，還極大影響零部件的使用壽命。因此，如何開(kāi)發(fā)兼具低摩擦、高耐磨性能的材料，成為學(xué)術(shù)界與工業(yè)界共同關(guān)注的課題。無(wú)氫碳基薄膜憑借其在摩擦與耐磨方面的優(yōu)異表現(xiàn)，逐漸成為固體潤(rùn)滑材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，尤其是在嚴(yán)苛條件下展現(xiàn)出的潛在應(yīng)用前景使其備受矚目。
2、無(wú)氫碳基薄膜的摩擦學(xué)性能主要依賴于兩大機(jī)制的協(xié)同作用：“摩擦引發(fā)的滑動(dòng)界面石墨化”和“環(huán)境濕度影響下的懸掛碳鍵鈍化”。具體來(lái)說(shuō)，就是在摩擦過(guò)程中，無(wú)氫碳基薄膜的無(wú)定形結(jié)構(gòu)受局部高溫和高壓的作用，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛行虻氖珜樱诨瑒?dòng)界面上形成一層低剪切力的潤(rùn)滑層，顯著降低摩擦系數(shù)。同時(shí)，在潮濕環(huán)境中，碳基薄膜表面懸掛的活性碳鍵通過(guò)與環(huán)境中的水分發(fā)生鈍化反應(yīng)，生成穩(wěn)定的低能表面，進(jìn)一步減少界面黏附效應(yīng)，從而提升薄膜的耐磨性能。這些物理和化學(xué)變化協(xié)同作用，使無(wú)氫碳基薄膜表現(xiàn)出良好的摩擦學(xué)性能。
3、然而，現(xiàn)有的無(wú)氫碳基薄膜在多變的工作環(huán)境下，摩擦導(dǎo)致薄膜與對(duì)偶材料之間形成的滑動(dòng)界面的強(qiáng)黏附使其摩擦系數(shù)波動(dòng)較大，極易受到外界因素如溫度、濕度及滑動(dòng)速度等的影響，導(dǎo)致摩擦學(xué)行為難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可控。在低濕度或高速滑動(dòng)的苛刻條件下，無(wú)氫碳基薄膜更易出現(xiàn)顯著磨損和使用壽命縮
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的在于提供一種通過(guò)摩擦誘導(dǎo)滑動(dòng)界面重構(gòu)調(diào)控碳基薄膜摩擦系數(shù)的方法，構(gòu)建出具有卓越自潤(rùn)滑性能的滑動(dòng)界面，賦予了所述碳基薄膜在低濕度條件下極佳的摩擦學(xué)性能，大幅降低了摩擦系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了碳基薄膜低摩擦的進(jìn)一步突破。
2、為了實(shí)現(xiàn)上述專利技術(shù)目的，本專利技術(shù)提供以下技術(shù)方案：
3、本專利技術(shù)提供了一種通過(guò)摩擦誘導(dǎo)滑動(dòng)界面重構(gòu)調(diào)控碳基薄膜摩擦系數(shù)的方法，其特征在于，包括以下步驟：
4、(1)將基體進(jìn)行預(yù)處理，然后進(jìn)行第一濺射，在預(yù)處理的基體表面沉積一層過(guò)渡族金屬中間層；
5、(2)以碳和過(guò)渡族金屬碳化物分別作為濺射靶材，在所述步驟(1)得到的過(guò)渡族金屬中間層表面進(jìn)行第二濺射，得到過(guò)渡族金屬碳化物增強(qiáng)碳基薄膜；
6、(3)采用摩擦對(duì)偶材料球在所述步驟(2)得到的過(guò)渡族金屬碳化物增強(qiáng)碳基薄膜表面進(jìn)行摩擦處理，激發(fā)過(guò)渡族金屬碳化物納米晶進(jìn)行氧化反應(yīng)形成氧化產(chǎn)物，并同時(shí)驅(qū)動(dòng)所述氧化產(chǎn)物篩分遷移，自發(fā)構(gòu)筑過(guò)渡族金屬氧化物轉(zhuǎn)移膜，從而構(gòu)建具有低剪切力與弱黏附特性的滑動(dòng)界面，實(shí)現(xiàn)通過(guò)摩擦誘導(dǎo)滑動(dòng)界面重構(gòu)調(diào)控碳基薄膜摩擦系數(shù)。
7、優(yōu)選地，所述步驟(1)中預(yù)處理包括：將所述基體依次進(jìn)行拋光、超聲脫脂處理和ar+離子清洗，得到預(yù)處理的基體。
8、優(yōu)選地，所述步驟(1)中過(guò)渡族金屬中間層為cr或ti層；所述過(guò)渡族金屬中間層的厚度為180～240nm。
9、優(yōu)選地，所述步驟(2)中過(guò)渡族金屬碳化物為碳化鎢、碳化鈦中的至少一種。
10、優(yōu)選地，所述步驟(2)中第二濺射的條件為：利用非平衡磁控濺射技術(shù)，壓力為2×10-3～5×10-3pa，基底脈沖偏壓為-50～-100v，頻率為200～350khz，氬氣壓力為0.1～0.6pa，過(guò)渡族金屬碳化物靶的功率為0～500w，碳靶的功率為1500～2500w。
11、優(yōu)選地，所述步驟(2)中過(guò)渡族金屬碳化物增強(qiáng)碳基薄膜的厚度為2～3μm，所述過(guò)渡族金屬碳化物增強(qiáng)碳基薄膜中過(guò)渡族金屬碳化物納米晶的平均粒徑為1～10nm。
12、優(yōu)選地，所述步驟(3)中摩擦對(duì)偶材料球?yàn)間cr15球或al2o3球；所述摩擦對(duì)偶材料球的粗糙度為0.05～0.2μm；所述摩擦對(duì)偶材料球的洛氏硬度為60～80。
13、優(yōu)選地，所述步驟(3)中摩擦處理過(guò)程中，環(huán)境中氧氣分壓為20％～50％，環(huán)境的相對(duì)濕度為5％～50％；所述摩擦處理的摩擦系統(tǒng)溫度為20～35℃，所述。
14、優(yōu)選地，所述步驟(3)中摩擦處理的載荷為10～15n。
15、優(yōu)選地，所述步驟(3)中摩擦處理過(guò)程中，所述摩擦對(duì)偶材料球的滑動(dòng)頻率為1～7hz，所述摩擦對(duì)偶材料球的滑動(dòng)往復(fù)距離為3～7mm，所述摩擦處理的時(shí)間為30～60min。
16、本專利技術(shù)提供了一種通過(guò)摩擦誘導(dǎo)滑動(dòng)界面重構(gòu)調(diào)控碳基薄膜摩擦系數(shù)的方法，首先在預(yù)處理的基體表面沉積一層過(guò)渡族金屬中間層作為粘結(jié)層，以碳和過(guò)渡族金屬碳化物分別作為濺射靶材，通過(guò)調(diào)節(jié)第二濺射的條件，以獲得含不同尺寸的過(guò)渡族金屬碳化物納米晶的碳基薄膜(即過(guò)渡族金屬碳化物增強(qiáng)碳基薄膜)，然后進(jìn)行摩擦處理，通過(guò)摩擦誘導(dǎo)滑動(dòng)界面重構(gòu)以精確調(diào)控碳基薄膜摩擦學(xué)行為，并且通過(guò)控制外部因素(如氧氣分壓、溫度、濕度、載荷、滑動(dòng)頻率、摩擦對(duì)偶材料等)對(duì)摩擦系數(shù)的多重影響，并結(jié)合滑動(dòng)界面微觀結(jié)構(gòu)在摩擦過(guò)程中的演變規(guī)律，在摩擦處理過(guò)程中，激發(fā)過(guò)渡族金屬碳化物納米晶進(jìn)行氧化反應(yīng)形成氧化產(chǎn)物，并同時(shí)驅(qū)動(dòng)所述氧化產(chǎn)物篩分遷移，自發(fā)構(gòu)筑過(guò)渡族金屬氧化物轉(zhuǎn)移膜，最終在摩擦處理下，實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)界面重構(gòu)，構(gòu)建得到具有低剪切力與弱黏附特性的滑動(dòng)界面，從而實(shí)現(xiàn)碳基薄膜摩擦系數(shù)的自適應(yīng)調(diào)控。本專利技術(shù)提供的方法不僅顯著降低碳基薄膜的摩擦系數(shù)，還將大幅提升碳基薄膜在極端工作條件下的耐久性與穩(wěn)定性；尤其在低濕度大氣環(huán)境下，在上述摩擦處理過(guò)程中所述碳基薄膜中的過(guò)渡族金屬碳化物納米晶顆粒受摩擦熱和應(yīng)力的誘導(dǎo)，逐漸發(fā)生氧化反應(yīng)，生成相應(yīng)的氧化產(chǎn)物(即氧化物)，這些氧化物通過(guò)摩擦界面的選擇性遷移，逐步轉(zhuǎn)移至對(duì)偶表面上，形成連續(xù)且穩(wěn)定的所述轉(zhuǎn)移膜。所述轉(zhuǎn)移膜與薄膜表面石墨化層相互作用，構(gòu)建出具有卓越自潤(rùn)滑性能的滑動(dòng)界面。正是這種界面重構(gòu)機(jī)制，賦予了所述碳基薄膜在低濕度條件下極佳的摩擦學(xué)性能，大幅降低了摩擦系數(shù)，增強(qiáng)了所述碳基薄膜的耐磨性與穩(wěn)定性。此外，本專利技術(shù)提供的方法為實(shí)現(xiàn)碳基薄膜的超低摩擦性能提供了全新的理論支撐與實(shí)踐基礎(chǔ)。
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1.一種通過(guò)摩擦誘導(dǎo)滑動(dòng)界面重構(gòu)調(diào)控碳基薄膜摩擦系數(shù)的方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(1)中預(yù)處理包括：將所述基體依次進(jìn)行拋光、超聲脫脂處理和Ar+離子清洗，得到預(yù)處理的基體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(1)中過(guò)渡族金屬中間層為Cr或Ti層；所述過(guò)渡族金屬中間層的厚度為180～240nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(2)中過(guò)渡族金屬碳化物為碳化鎢、碳化鈦中的至少一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(2)中第二濺射的條件為：利用非平衡磁控濺射技術(shù)，壓力為2×10-3～5×10-3Pa，基底脈沖偏壓為-50～-100V，頻率為200～350kHz，氬氣壓力為0.1～0.6Pa，過(guò)渡族金屬碳化物靶的功率為0～500W，碳靶的功率為1500～2500W。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(2)中過(guò)渡族金屬碳化物增強(qiáng)碳基薄膜的厚度為2～3μm，所述過(guò)渡族金屬碳化物增強(qiáng)碳基薄膜中過(guò)渡族金屬
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(3)中摩擦對(duì)偶材料球?yàn)镚Cr15球或Al2O3球；所述摩擦對(duì)偶材料球的粗糙度為0.05～0.2μm；所述摩擦對(duì)偶材料球的洛氏硬度為60～80。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(3)中摩擦處理過(guò)程中，環(huán)境中氧氣分壓為20％～50％，環(huán)境的相對(duì)濕度為5％～50％；所述摩擦處理的摩擦系統(tǒng)溫度為20～35℃，所述。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(3)中摩擦處理的載荷為10～15N。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(3)中摩擦處理過(guò)程中，所述摩擦對(duì)偶材料球的滑動(dòng)頻率為1～7Hz，所述摩擦對(duì)偶材料球的滑動(dòng)往復(fù)距離為3～7mm，所述摩擦處理的時(shí)間為30～60min。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種通過(guò)摩擦誘導(dǎo)滑動(dòng)界面重構(gòu)調(diào)控碳基薄膜摩擦系數(shù)的方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(1)中預(yù)處理包括：將所述基體依次進(jìn)行拋光、超聲脫脂處理和ar+離子清洗，得到預(yù)處理的基體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(1)中過(guò)渡族金屬中間層為cr或ti層；所述過(guò)渡族金屬中間層的厚度為180～240nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(2)中過(guò)渡族金屬碳化物為碳化鎢、碳化鈦中的至少一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(2)中第二濺射的條件為：利用非平衡磁控濺射技術(shù)，壓力為2×10-3～5×10-3pa，基底脈沖偏壓為-50～-100v，頻率為200～350khz，氬氣壓力為0.1～0.6pa，過(guò)渡族金屬碳化物靶的功率為0～500w，碳靶的功率為1500～2500w。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：何東青，潘翔翔，成波，翟海民，張辛健，梁瑞瑞，毛鋒，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：蘭州理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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