纳米镶嵌WxC/WS2/DLC固体润滑复合涂层的制备及其摩擦学性能研究

With the progress of modern aerospace and other high-technologies, solid lubricating coatings available in multi-environment are in urgent need. Diamand-like carbon films (DLC), a new solid lubricating coating, shows great potential value in the fields of national defense and civilian industry. In our research we will use multi-element nanotechnology which is realized by multiple vapor deposition to embed DLC matrix with tungsten carbide (WC) nanocrystalline hard phase and tungsten sulfide (WS2) microcrystalline lubrication soft phase. By adopting this method, we expect to solve the weakness of traditional DLC films，such as high inner stress, poor toughness, and environmental sensitive in lubrication performance. We will also endow these coatings with new properties like super-hard, super-tough, multi-environmental self-adaption (on ground and in space). The already described properties of the coatings help to meet the application requirements in aerospace and other high-tech fields which demand them to possess good environment adaptability and outstanding wear resistance. Through this project we will reveal the effect of preparation process and the content of composite element to the coatings microstructure, mechanical and tribological properties, and explore the inner characters of the coatings environmental self-adaption, and to establish new theories of solid lubricating caotings multienvironmental application, and to lay the foudation to the development and application of the new DLC-based lubricating coatings preparation technics as well.

现代航空航天等高新技术领域的发展，对适用于多重环境的固体润滑涂层的需求越来越迫切。类金刚石薄膜作为一种新型固体润滑薄膜材料，在现代国防、民用等工业领域显示出巨大的潜在应用价值。本研究提出采用多种气相沉积相结合的方法,通过多元纳米复合技术,将碳化钨硬质纳米晶强化相和二硫化钨软质微晶润滑相镶嵌于类金刚石基质中，以期克服传统类金刚石薄膜内应力高、韧性差、润滑性能受环境影响大等缺点，并赋予涂层一些新的特殊性能，如超硬、超韧、多环境自适应（地面和空间）等，满足航空航天等高技术领域对环境适应性强、耐磨性好的固体润滑涂层的应用需求。通过本项目的研究，认识和揭示制备工艺条件、复合元素含量对涂层微观结构、力学及摩擦学性能的影响，探究涂层环境自适应性的本质，建立多重环境应用的固体润滑涂层新理论，为新型类金刚石基润滑涂层制备技术的发展和应用奠定基础。

采用脉冲直流等离子体增强化学气相淀积技术制备了氢化非晶碳膜，研究了薄膜结构和力学性能的演变过程。研究结果表明，脉冲直流负偏压能显著影响薄膜的沉积速率、薄膜硬度、表面粗糙度、薄膜中sp3碳含量以及薄膜的摩擦学行为。以三乙酰丙酮铁和二乙酰丙酮钴为前驱溶液，采用简单的电化学沉积技术制备了铁和钴掺杂的类金刚石薄膜。研究表明非晶碳的微观结构随掺杂元素的不同而发生明显改变，金属元素并不是均匀的掺杂在高度交联的非晶碳基质中，而是以团簇的形式镶嵌在非晶碳中，形成典型的纳米晶/非晶复合结构。设计制备了一直具有超长摩擦寿命和超低磨损率的非晶氢化碳薄膜。同时系统研究了薄膜结构演化及化学环境对薄膜摩擦学行为的影响。TEM分析表明，在薄膜的摩擦接触处有纳米碳葱洋结构的出现，因此摩擦诱导纳米洋葱结构是薄膜具有长寿命和抗磨性能的主要原因。这为设计制备高效长寿命减摩抗磨氢化非晶碳薄膜提供了理论依据。揭示了超低摩擦氢化类富勒烯碳膜摩擦过程中的重杂化机制。薄膜的摩擦系数与其类富勒烯纳米结构密切相关，而碳转移层与薄膜的超低摩擦没有直接的关系，摩擦界面的相对滑动会形成的类富勒烯结构是薄膜具有超低摩擦的主要原因。研究了自配滑动下氢化非晶碳薄膜(a-C:H)在不同气氛中的摩擦学行为。从环境气体分子的内部电子结构、原子的电负性、薄膜表面的键合状态以及它们之间的协同作用等角度来解释a–C:H薄膜的摩擦学行为。借助于密度泛函方法构造了不同条件下的a–C:H模型，从构型与膜间距离等角度分析了两表面之间摩擦力的差别，理论计算结果与实验现象相符。研究了不同湿度（RH 11%到97%）下含氢和不含氢类金刚石薄膜（DLC）的摩擦学行为，并对其进行了结构分析。研究发现，富sp2杂化碳的摩擦转移膜是DLC-H薄膜具有低剪切力和低摩擦系数的主要原因。但σ键导致高粘着力是DLC在低湿度下具有高的摩擦系数的主要原因。当相对湿度增加，毛细作用是影响薄膜摩擦的主要因素，这些因素导致DLC-H和DLC薄膜在高湿度下的摩擦系数趋同。已完成项目的研究内容，在Adv. Mater. Interfaces，Diam. Relat. Mater.，RSC Adv.，Small等期刊发表SCI论文8篇。