航天用超润滑长寿命含氢非晶碳多层薄膜的构筑及其高真空摩擦学性能与机理

Due to the urgent need for high performance solid lubricating materials in China's aerospace industry and the high-vacuum tribological characteristics of hydrogenated amorphous carbon films, this project puts forward to combine the superlubricating in high vacuum but soft, poor wear-resistant polymer-like carbon (PLC) with the hard hydrogenated diamond-like carbon (DLC) in PLC/DLC multilayer films to realize the synergy of their advantages and ultimately realize the superlubricating and long-lifetime tribological properties in high vacuum. This project will systematically study the relationship among the structure, the mechanical properties, and the high-vacuum tribological properties in PLC/DLC multilayer films to propose the structure design principle for PLC/DLC multilayer films with superlubricating and long-lifetime in high vacuum. Besides, this project will study the multilayer structure evolution and the formation mechanisms of tribolayer, transfer-layer and wear debris in PLC/DLC multilayer films under the coupled actions of high-vacuum and dynamic friction to clarify the superlubricating and long-lifetime mechanisms. This project will propel the application of hydrogenated amorphous carbon films in aerospace field, but also provide new ideas for developing superlubricating and long-lifetime solid films for aerospace applications.

鉴于我国航天工业对高性能固体润滑材料的迫切需求以及含氢非晶碳薄膜的高真空摩擦学特性，本项目提出将高真空下具有超润滑性能但硬度低、不耐磨损的类聚合物碳（PLC）与硬度较高的含氢类金刚石碳（DLC）以交替多层方式复合在一起，构筑PLC/DLC多层薄膜，以实现二者优势性能的协同，最终实现高真空下超润滑和长寿命的摩擦学性能。本项目将系统研究PLC/DLC多层薄膜的结构、机械性能、高真空摩擦学性能之间的关联，提出高真空环境用超润滑长寿命PLC/DLC多层薄膜的结构设计准则；研究PLC/DLC多层薄膜在高真空与动态接触摩擦耦合作用下的多层结构演变以及摩擦层、转移膜和磨屑的形成机制，阐明高真空下PLC/DLC多层薄膜的超润滑和长寿命机理。本项目的实施将推动含氢非晶碳薄膜在航天领域的应用，并为研发航天用超润滑长寿命固体润滑薄膜提供新思路。

空间润滑技术一直是支持航天工程的基础性关键技术。不当润滑或润滑失效引起的高摩擦和严重磨损是造成空间机械装备使用寿命缩短、性能下降，甚至彻底报废的重要原因。近年，通信、导航、载人、深空探测等我国重大专项任务对空间飞行器又提出了超长寿命、超高精度、高稳定度、大转矩、低功耗、低振动、低噪音、小型化、轻量化等新要求。这些新要求的满足在很大程度上要依赖于空间润滑技术的革新——发展超润滑技术。含氢非晶碳（a-C:H）薄膜因其在高真空下具有超润滑性能而被视为一种潜在的空间润滑材料，然而其润滑寿命无法满足长寿命应用需求。本项目采用反应磁控溅射技术（即在烃类气体中溅射石墨靶）沉积a-C:H薄膜，并研究了在高真空下具有长寿命超润滑性能的a-C:H薄膜的沉积工艺及其长寿命超润滑性能与机理。研究表明：石墨靶溅射功率、反应气体氢含量、基底负偏压等是影响a-C:H薄膜的氢含量的关键工艺参数。在“靶中毒”或濒临“靶中毒”且不施加或施加低值基底负偏压的情况下，可以制得高含氢的类聚合物a-C:H薄膜，否则制得低氢含量的类金刚石碳或类石墨碳薄膜。适当提高基底负偏压可以延长a-C:H薄膜在高真空下的超润滑寿命。在高真空下，以C2H2为反应气体时沉积的薄膜具有短寿命（低于3万转）超润滑性能；以CH4为反应气体时的薄膜具有长寿命（30万转）非超润滑性能；以C2H2+CH4为反应气体时的薄膜具有长寿命（近60万转）超润滑（平均摩擦系数约0.005）性能。通过对薄膜的氢含量、成键类型、力学性能等分析表明：高氢含量仅为a-C:H薄膜在高真空下具有超润滑和长寿命性能的必要条件，而非充要条件；且a-C:H薄膜的sp2/sp3比和硬度、弹性模量等力学性能与其高真空摩擦学性能之间无相关性或相关性不显著。所有实验结果均可通过基于“自由体积”孔洞的“结构弛豫”摩擦磨损机理进行解释。本项目的实施突出强调了存在于a-C:H三维无规网络结构中但通常被忽视的“自由体积”在摩擦磨损机制中的重要角色，并推动了a-C:H薄膜在空间超润滑领域的应用进程。