【摘 要】
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类金刚石薄膜(DLC)由于具有化学惰性,高硬度,较低的摩擦系数和耐磨损等优点而被广泛用作固体润滑防护涂层。然而,当DLC薄膜被直接应用于海洋装备中的摩擦构件表面时,由于受到机械摩擦与海水腐蚀的交互作用,DLC薄膜往往过早失去防护效果,因此有必要对其结构与性能进行改性以提高使用寿命。在DLC薄膜中掺杂金属或非金属元素是一种能有效提高膜基结合强度并改善薄膜磨蚀性能的方法。通过文献调查发现,有关硼(B)
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类金刚石薄膜(DLC)由于具有化学惰性,高硬度,较低的摩擦系数和耐磨损等优点而被广泛用作固体润滑防护涂层。然而,当DLC薄膜被直接应用于海洋装备中的摩擦构件表面时,由于受到机械摩擦与海水腐蚀的交互作用,DLC薄膜往往过早失去防护效果,因此有必要对其结构与性能进行改性以提高使用寿命。在DLC薄膜中掺杂金属或非金属元素是一种能有效提高膜基结合强度并改善薄膜磨蚀性能的方法。通过文献调查发现,有关硼(B)掺杂及钨(W)掺杂DLC薄膜在海洋环境中磨蚀性能的研究相对较少,特别是有关B及W含量对DLC薄膜结构、力学性能及在海水环境下摩擦学性能的研究仍需要做大量工作。基于此,本论文利用非平衡磁控溅射技术,通过控制靶材电流,在304不锈钢表面沉积了两种不同硼含量的DLC薄膜(B含量分别为7.23%、13.27%)和三种不同W含量的DLC薄膜(W含量分别为0.94%、3.12%、15.11%),采用扫描电子显微镜(SEM)、扫描探针显微镜(SPM)、拉曼光谱仪、划痕仪、纳米压痕仪、摩擦磨损实验机对两类掺杂DLC薄膜的表面形貌、化学成分、显微结构、结合力、纳米硬度及干摩擦性能进行了测试研究,并采用一系列电化学方法研究了B及W元素含量对DLC薄膜腐蚀以及磨蚀性能的影响,以期为DLC薄膜在海洋环境中的实际应用提供一些理论依据。研究结果表明:(1)适量(7.23 at.%)的B元素的掺杂能够降低DLC薄膜的表面粗糙度,使DLC薄膜的表面更加致密,并且在硬度和弹性模量未明显降低的前提下,能够降低薄膜内应力,显著提高薄膜与基底间的结合力。(2)在干摩擦条件下,B元素的掺杂能够明显降低DLC薄膜的摩擦系数,缩短磨合期。同样,在海水环境下,掺杂适量(7.23 at.%)的B元素有助于提升DLC薄膜的抗腐蚀性能,并且大幅提高了DLC薄膜的磨蚀性能,与不掺杂的DLC薄膜相比,摩擦系数降低了10.7%,磨损量降低了37.0%。(3)随着WC靶电流增大,DLC薄膜中的W含量逐渐升高,薄膜表面微凸体发生聚合,并且薄膜中的sp2键合碳及WC1-X相均增多,在薄膜内部形成了WC1-X纳米晶与非晶DLC的复合结构,其中,0.94 at.%的W掺杂DLC薄膜具有最低的残余应力,可明显增大DLC薄膜的韧性。(4)干摩擦条件下,随着W含量的升高,DLC薄膜的摩擦系数波动变大,平均摩擦系数逐渐增大,但磨损率随着W含量的升高出现先降低后升高的趋势,W含量为0.94 at.%的DLC薄膜抗磨性能最好。同样,在海水环境下,W含量为0.94 at.%的DLC薄膜也具有最佳的耐磨蚀性能,这主要是因为适量W的掺杂导致DLC表面致密度增加,内部缺陷减少,从而有效阻滞了腐蚀性介质通过薄膜微孔隙向基底的渗透。
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