氮化硅表面沉积DLC膜的均匀性与摩擦学特性研究

论文摘要

在航空航天工业、空间技术迅速发展的今天,用于改造工作表面的新型固体润滑材料应运而生。类金刚石碳膜是一种高硬度、低摩擦系数、高耐磨性及高化学稳定性的新型薄膜材料,作为固体润滑膜在航空航天、微型电子机器等领域越来越受到重视。要保证DLC膜的润滑效果在航空航天苛刻环境下起到作用,需要对DLC膜的一系列性能进行分析研究。本文运用实验、理论分析和软件仿真等方法,利用运动学、接触力学、断裂力学模型,从膜的均匀性、承载能力及摩擦磨损性能三方面系统地研究了陶瓷表面DLC膜的特性,为陶瓷表面DLC膜的润滑研究和应用奠定基础。对膜特性的研究从均匀性入手,氮化硅陶瓷片上可容易地得到均匀DLC膜,但对于陶瓷球,均匀性需要评定。本文结合球研磨过程的均匀性分析,对三沟道单自转盘和单沟道三自转盘两种夹具中球的运动进行运动分析和仿真,验证了三沟道单自转盘夹具中陶瓷球表面沉积DLC薄膜的理论均匀性。将其用于等离子体基离子注入沉积试验中,用沉积DLC膜后陶瓷球的圆度及粗糙度测试值验证均匀性。陶瓷表面薄膜能起到润滑作用的前提是具有一定的膜基结合力。本文利用纳米压痕、划痕试验,从力学角度对仅受法向压力的陶瓷片和陶瓷球表面DLC膜的承载能力,受法向和切向力共同作用的陶瓷片和陶瓷球表面DLC膜的结合力进行研究。同时结合压痕和划痕的形成过程,分析了DLC膜失效过程的力学特征,为陶瓷基体上DLC膜的实际应用提供理论基础。本文最后对DLC膜的常温球盘摩擦磨损行为进行研究。通过试验参数选择,分析陶瓷基体表面DLC膜在大气中不同载荷及不同速度下的摩擦磨损性能及磨损机制的转变,获得了DLC膜承载的临界载荷和速度边界。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究目的和意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题的研究目的和意义
• 1.2 DLC膜的国内外研究现状
• 1.2.1 DLC膜的发展史
• 1.2.2 DLC膜力学性能的研究现状
• 1.2.3 DLC膜摩擦磨损性能的研究现状
• 1.3 本课题主要研究内容
• 第2章 陶瓷球表面沉积DLC膜的均匀性研究
• 2.1 引言
• 2.2 不同夹具模型中陶瓷球镀膜均匀性的运动分析
• 2.2.1 单沟道三自转盘夹具中陶瓷球的运动分析
• 2.2.2 三沟道单自转盘夹具中陶瓷球的运动分析
• 2.2.3 两种夹具中球运动的均匀性分析
• 2.3 三沟道单自转盘夹具中陶瓷球沉积DLC膜均匀性实验分析
• 2.3.1 陶瓷球上DLC膜的制备
• 2.3.2 DLC膜陶瓷球表面圆度测量
• 2.3.3 DLC膜陶瓷球表面粗糙度测量
• 2.4 本章小结
• 第3章 氮化硅陶瓷表面DLC膜的承载特性研究
• 3.1 引言
• 3.2 测试设备及理论基础
• 3.2.1 纳米划痕仪及相关参数
• 3.2.2 纳米压痕法的力学基础
• 3.2.3 纳米划痕法的力学基础
• 3.3 纳米压痕法研究DLC膜的承载特性
• 3.3.1 陶瓷片表面DLC膜的纳米压痕试验分析
• 3.3.2 陶瓷球表面DLC膜的纳米压痕试验分析
• 3.3.3 基于纳米压痕法的DLC膜失效力学分析
• 3.4 纳米划痕法研究DLC膜的承载特性
• 3.4.1 DLC膜失效的纳米划痕试验法研究
• 3.4.2 纳米划痕法表征DLC膜失效的力学分析
• 3.4.3 不同基体与DLC膜的结合力比较分析
• 3.5 本章小结
• 第4章氮化硅陶瓷表面DLC膜的摩擦特性分析
• 4.1 引言
• 4.2 载荷对DLC膜的摩擦磨损影响
• 4.3 速度对DLC膜的摩擦磨损影响
• 4.4 配副对DLC膜的摩擦磨损影响
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢