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类金刚石镀膜——金属表面摩擦惊人的减少40%

发布时间:2016-09-02
  来自美国能源部阿尔贡国家实验室的研究人员(研究摩擦、磨损、润滑以及材料计算机的科学家们)。近期,他们运用同样的原理,发现了具有革命性的有自愈功能的类金刚石镀膜,这种镀膜是在高温、高压下运作的汽车引擎中试验产生的。而这项发现,将会对未来的发动机的效率和耐久性产生深远的影响。

 
  测试结果表明,这种DLC摩擦膜减小了25%-40%的摩擦,并将磨损量减小到了一个不可测的值。而这项研究结果已发表在“自然”杂志上了。
 
 
  类金刚石DLC(Diamond-likecarbon)介绍
 
  DLC是一种由碳元素构成、在性质上和钻石类似,同时又具有石墨原子组成结构的物质。类金刚石薄膜(DLC)是一种非晶态薄膜,由于具有高硬度和高弹性模量,低摩擦因数,耐磨损以及良好的真空摩擦学特性,很适合于作为耐磨涂层,从而引起了摩擦学界的重视。

 
  目前制备DLC薄膜的方法很多,不同的制备方法所用的碳源以及到达基体表面的离子能量不同,沉积的DLC膜的结构和性能存在很大差别,摩擦学性能也不相同。

 
  图:DLC镀膜齿轮
 
  DLC主要性能
 
  1、力学性能
 
  a.硬度及弹性模量。不同的沉积方法制备的DLC膜硬度及弹性模量差异很大,用磁过滤阴极电弧法可以制备出硬度达到甚至超过金刚石的DLC膜,而用离子源结合非平衡磁控溅射法制备的DLC膜硬度达21GPa。膜层内的成分对膜层的硬度有一定的影响,Si、N的掺入可以提高DLC膜的硬度。DLC膜具有较高的弹性模量,虽低于金刚石(1100GPa),但明显高于一般金属和陶瓷的弹性模量。
 
  b.内应力和结合强度。薄膜的内应力和结合强度是决定薄膜的稳定性和使用寿命,影响薄膜性能的两个重要因素,内应力高和结合强度低的DLC膜容易在应用中产生裂纹、褶皱,甚至脱落,所以制备的DLC膜最好具有适中的压应力和较高的结合强度。大部分研究表明,直接在基体上沉积的DLC膜的膜/基结合强度一般比较低。
 
  2、摩擦性能
 
  DLC膜不仅具有优异的耐磨性,而且具有很低的摩擦系数,一般低于0.2,是一种优异的表面抗磨损改性膜。DLC的摩擦系数随制备工艺的不同和膜中成分的变化而变化,其摩擦系数最低可达0.005。掺杂金属元素可能降低其摩擦系数,但加入H能提高润滑作用,环境也对摩擦系数有一定的影响。
 
  但总的来说,DLC膜与传统的硬质薄膜(如上述的TiN、TiC、TiAlN等)相比,在摩擦系数方面具有明显优势,这些传统硬质薄膜的摩擦系数都在0.4以上。因此,DLC膜有可能在许多摩擦学领域替代这些传统硬膜。
 
  3、热稳定性
 
  由于DLC属亚稳态的材料,热稳定性差是限制DLC膜应用的一个重要因素,在300?C以上退火时即出现了sp3键向sp2键转变,为此,人们进行了大量的工作试图提高其热稳定性。
 
  4、耐腐蚀性
 
  纯DLC膜具有优异的耐蚀性,各类酸、碱甚至王水都很难侵蚀它。但掺杂有其他元素的DLC膜的耐蚀性有所下降,这是由于掺杂的元素首先被侵蚀,从而破坏了膜的连续性所致。
 
  5、表面状态
 
  DLC膜表面一般较光洁,对基材的表面光洁度没有太大的影响,但随着膜厚的增加,表面光洁度会下降。不同的沉积方法所得到的DLC膜表面光洁度也是不同的。DLC膜具有很好的抗粘结性,特别是对有色金属(如铜、铝、锌等),对塑料、橡胶、陶瓷等也有抗粘结性。
 
  机械功能领域应用
 
  1、钻头、铣刀
 
  DLC膜可以应用于钻头和铣刀上,特别是掺杂金属的DLC膜,它不仅具有高的硬度,还具有低的摩擦系数、抗有色金属粘结。荷兰的Hauzer公司制备的掺金属DLC膜层,用于切削高强度铝合金时,能减少表面所谓的切屑瘤(BUE)。结果是延长工具的寿命并使工件材料在切削后表面光滑。特别是在干切削和深孔加工方面,膜层性能非常好。

 
  2、光盘模具及其辅助模具
 
  光盘模具是生产CD、CDR、DVD的重要工具,为了减少它与母盘(镍盘)的摩擦,希望模具表面硬且摩擦系数小,目前,国外大多采用DLC膜层,大大提高了模具的寿命和盘片的质量。我们制备的DLC膜层也开始用于该领域,并取得了成功。
 
  3、芯轴
 
  DLC膜的耐磨减摩及耐腐蚀性,可显著提高齿轮、芯轴等运动部件的使用性能及寿命。
 
  4、刀片上的应用
 
  现在DLC也在各种刀片如剪刀、刮胡刀等上的应用。DLC膜减小了刀片与皮肤的摩擦,改善了刀片的性能,延长了使用寿命。
 
  5、关键零部件上的应用
 
  DLC膜在许多关键零部件也能发挥其优良的性能,如在制成式斯特林制冷机的活塞上的应用利用其低的摩擦系数,降低摩擦力,提高耐磨性,达到无油润滑及使用寿命要求。
 
  在缝纫机配件旋梭上镀DLC膜替代原来的电镀硬铬处理,不但避免了污染环境的问题,而且,明显提高工件表面硬度及耐磨性,使用寿命提高了10倍以上,同时,也因表面膜层摩擦系数降低后,使机器运行过程中产生的噪音变小。
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