外场诱导非晶碳膜中程有序纳米结构的生长、调控及与性能相关性

基本信息
批准号:51405474
项目类别:青年科学基金项目
资助金额:28.00
负责人:吉利
学科分类:
依托单位:中国科学院兰州化学物理研究所
批准年份:2014
结题年份:2017
起止时间:2015-01-01 - 2017-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:陈建敏,刘晓红,吴艳霞,宋惠,贾玉龙,卢小伟
关键词:
中程有序纳米结构摩擦学性能非晶碳薄膜力学性能外场诱导生长效应
结项摘要

Amorphous carbon films as a new generation of solid lubrication material, can exhibit very low friction coefficient (<0.01) under specified conditions, and has a wide application prospect in high-tech fields. In recent years, it has been found that special medium range order structure endows the carbon films with some excellent properties, such as high hardness, high elastic recovery and low wear, which would be the ideal way to overcome the disadvantages of brittleness, short service life of carbon films. However, how to design and controllable growth of specific medium range ordered structure in carbon films is not properly addressed. In this application, a new method is introduced to grow and control the specific medium range ordered structures in carbon films based on the out-field (including catalysis and plasma action) induced growth effect, which have been found during the target poisoning process in our early study. Firstly, the type, size and sputtering parameters of the metal target are important factors during the processes of catalytic precursor formation and then precursor sputtering, so the correlations of these factors and the microstructure of the precursor and as-prepared carbon film are investigated systematically in oreder to clarify the formation mechanism and control principle of the medium-range order structure. Secondly, the effects of the type, quantity and size of the nanostructure on the hardness, toughness, wear life of the carbon films are studied, and the relationship between the medium-range order nanostructure and properties of carbon films are further revealed. This research will improve the level of understanding of the nature of the structure and performance of amorphous carbon films, and have important theoretical value and guiding significance to further design microstructure, improve performance, and promote the practical application of amorphous carbon films in high-tect fields.

非晶碳膜作为一种在特定条件下摩擦系数极低(<0.01)的新一代固体润滑材料,在高技术领域具有广阔的应用前景。近年来,人们发现特殊中程有序结构可以赋予碳膜强韧一体化、低磨损等特性,是克服其脆性大、寿命短缺点的理想途径,然而如何设计并可控制备具有特定中程有序结构的碳膜,还没有妥善解决。本项目提出采用金属靶外场诱导生长碳膜的制备方法,基于我们在靶中毒现象中发现的靶面催化与等离子体共诱导生长效应,通过控制靶材种类、靶面形态调节靶面前驱体的纳米结构,进而实现碳膜特定中程有序结构的可控生长。研究制备参数对前驱体及薄膜微观结构的影响,获得外场诱导中程有序结构的调控规律;研究中程有序结构原子排列方式、数量及尺寸对薄膜力学、摩擦学性能的影响,揭示薄膜中程有序结构与性能的相关性及作用机理。本研究对于认识碳膜材料结构和性能的本质、建立结构设计与调控新原理、并指导性能提升、推动其高技术应用具有重要的理论意义。

项目摘要

非晶碳膜是新一代固体润滑材料,在高技术领域具有广阔的应用前景。近年来,人们发现除了短程有序结构,特殊中程有序结构是决定非晶碳膜性能的关键因素,可以克服其高载易脆以及寿命短的性能缺陷。本项目基于在靶中毒现象中发现的靶面催化与等离子体共诱导生长效应,提出在溅射靶面催化诱导生长纳米结构前躯体,再溅射成膜的制备思路。系统考察了镍、铜、钛以及石墨四类靶材的催化诱导效应,通过靶面形貌、反应气源比、溅射电流、偏压等制备参数的调控,成功实现了石墨烯、富勒烯和碳纳米管三类纳米结构在非晶碳薄膜中的构筑和调控生长,充分验证了所提出的外场诱导中程有序结构生长效应的可行性,阐明了外场诱导中程有序结构的形成机理,建立了调控规律和方法。在此基础上,研究了非晶碳膜中三类纳米结构特征与力学、摩擦学性能之间的相互关系,明确了局域中程有序结构的增韧与延寿机制,结合对石墨烯、富勒烯纳米材料优异真空摩擦学特性起源的研究,揭示了石墨烯、富勒烯结构与优异摩擦学性能之间的关联和摩擦机理,进一步指导中程有序纳米结构设计,实现了碳薄膜的真空耐磨寿命跨数量级的提升,发展出真空、惰性环境中具有极低摩擦系数、长寿命的新型超润滑碳薄膜材料(摩擦系数<0.01、寿命>106转),全面达到并MoS2空间润滑薄膜GJB3032-97摩擦磨损性能指标,建立了碳薄膜在大载、真空等苛刻工况下的延寿新方法和原理,为解决空间领域的特殊润滑问题提供理论基础和材料支持。目前已被中国航天科技集团西安航天精密机械研究所正式确定为《卫星用三浮陀螺关键技术》预研项目中动压气浮轴承的表面润滑材料,经多次地面环境模拟以及寿命考核试验,性能合格,批产供货20余批次,将在航天新型型号装备上获得应用。

项目成果
{{index+1}}

{{i.achievement_title}}

{{i.achievement_title}}

DOI:{{i.doi}}
发表时间:{{i.publish_year}}

暂无此项成果

数据更新时间:2023-05-31

其他相关文献

1

演化经济地理学视角下的产业结构演替与分叉研究评述

演化经济地理学视角下的产业结构演替与分叉研究评述

DOI:10.15957/j.cnki.jjdl.2016.12.031
发表时间:2016
2

基于一维TiO2纳米管阵列薄膜的β伏特效应研究

基于一维TiO2纳米管阵列薄膜的β伏特效应研究

DOI:10.7498/aps.67.20171903
发表时间:2018
3

涡度相关技术及其在陆地生态系统通量研究中的应用

涡度相关技术及其在陆地生态系统通量研究中的应用

DOI:10.17521/cjpe.2019.0351
发表时间:2020
4

论大数据环境对情报学发展的影响

论大数据环境对情报学发展的影响

DOI:
发表时间:2017
5

正交异性钢桥面板纵肋-面板疲劳开裂的CFRP加固研究

正交异性钢桥面板纵肋-面板疲劳开裂的CFRP加固研究

DOI:10.19713/j.cnki.43-1423/u.t20201185
发表时间:2021

相似国自然基金

1

有序分子膜诱导生长特殊纳米结构材料研究

批准号:20371015
批准年份:2003
负责人:杜祖亮
学科分类:B0104
资助金额:26.00
项目类别:面上项目
2

碳纳米结构复合增韧非晶碳膜的结构设计及真空摩擦性能研究

批准号:51705482
批准年份:2017
负责人:宋惠
学科分类:E0505
资助金额:25.00
项目类别:青年科学基金项目
3

碳包纳米晶的合成、结构与性能研究

批准号:50372013
批准年份:2003
负责人:张海燕
学科分类:E0205
资助金额:20.00
项目类别:面上项目
4

有序分子膜诱导'胶体晶体'生长

批准号:29771019
批准年份:1997
负责人:郭子建
学科分类:B0702
资助金额:11.00
项目类别:面上项目