交联共聚物涂层的精确碳化与超低摩擦设计

In this project, we will propose, based on high regulation of ion implantation behaviors, to precisely carbonize cross-linked copolymer coatings by regulating multiple compound ion implantations. And, the cppolymer coatings will be designed to be with hierarchical nanostructures containing amorphous carbon nano-clusters and transition metal carbide nano-crystallines between cross-linked networks. The mechanical and tribological properties of the copolymer coatings will be significantly enhanced due to the superlubricity of amorphous carbon and the ultra-high hardness of transition metal nano-crystallines. The limit of tribological modification of polymer coatings will be broken through as well as some copolymer coatings with superlow friction in multi-environments will be developed. Moreover, the theories of precise carbonization regulation and mechanisms of carbonization of copolymer coatings induced by mixture ion implantations will be proposed. Meanwhile, the friction-wear mechanisms of the modified copolymer coatings will be unveiled. Some theoretical foundation and technique supports will be built to develop novel superlubricity polymer coatings, and to meet the urgent demands for advanced solid lubricant materials in High-Tech of China.

基于离子注入行为的高度可调控性，本申请项目提出通过调控多种复合离子注入，诱导交联共聚物涂层进行精确碳化；并在聚合物交联网络间隙中形成非晶碳纳米团簇及金属碳化物纳米晶，使改性后的共聚物涂层具有多重纳米结构。同时，设想以非晶碳纳米团簇作为固体润滑相，以未碳化的聚合物交联网络骨架和高硬度的金属碳化物纳米晶作为支撑相和力学增强相，显著提升共聚物涂层的力学性能，并突破聚合物摩擦学传统改性技术的极限，探索在多环境中具有超低摩擦性能的复合聚合物涂层材料。此外，提出基于复合离子注入诱导交联共聚物涂层精确碳化的调控理论和碳化机理；阐释精确碳化改性的交联共聚物涂层在多种环境中的摩擦磨损机制，为发展高性能聚合物基固体润滑材料提供理论依据和技术支撑，满足我国高技术领域对先进固体滑材料的迫切需求。

探索高性能润滑材料对机械设备节能减排以及高可靠性具有重要意义。本项目以发展具有超低摩擦磨损的高性能润滑材料为主要研究目标，取得的研究进展包括以下几个方面：（1）发展了一种在高湿环境中具有超润滑（摩擦系数低于0.01）性能的纳米复合环氧树脂涂层材料，且该涂层材料与不同的摩擦副材料，如轴承钢，氧化铝和氮化硅陶瓷等均可以达到超低摩擦水平，且其抗磨损性能优异，磨损率低至10-7mm3/N.m数量级。该类超润滑涂层材料的发展有效的拓展了超润滑材料体系。（2）研究了氢离子注入对类石墨非晶碳膜结构和性能的影响。结果表明，氢离子注入改性后GLC薄膜表层柱状纳米结构消失，类石墨薄膜的表层碳原子的无序度增加。大部分氢以游离态氢存在，同时小部分生成CHx团簇，注入的氢离子主要集中在类石墨薄膜表层。氢离子注入后薄膜的sp3碳键增加，即由典型的类石墨转变成类金刚石结构；利用氢离子注入技术可显著提升类石墨非晶碳（GLC）薄膜的结合强度和韧性，同时使其具有超低摩擦性能，该成果为开发超低摩擦磨损的固体润滑材料提供了新的思路。（3）利用氢离子注入改性前后的GLC碳膜与不同基团封端的硅油构建了固-油复合润滑体系，研究了GLC碳膜表层的碳原子化学键结构对固-油复合润滑行为的影响。结果表明，相比于非极性基团封端的硅油，极性基团封端的硅油与GLC碳膜复合后具有更好的固-油复合润滑性能。这可能主要源于碳膜中的sp2碳键与硅油的极性基团的偶极矩诱导作用，导致更多的硅油分子牢固的吸附在碳膜表面，形成稳定油膜。而且，当与极性基团封端的硅油复合时，未注入的GLC碳膜比注入的碳膜具有更低的摩擦系数，但是注入改性后的GLC在复合润滑中的抗磨损性能更优。（4）发展了一种在空气和盐溶液环境中均具有优异摩擦学性能的Si和Ag共掺杂非晶碳基薄膜材料，研究了溅射气氛组成对Si和Ag共掺杂的非晶碳复合薄膜结构和性能的影响，深入分析了薄膜在空气和盐水溶液两种环境中的摩擦磨损机制。